UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MEC
Â
NICA
Desenvolvimento de um software para a aquisição
de dados de sensores usados em ensaios
tribológicos
PEDRO VICTOR DANTAS DE MENDONÇA
NATAL- RN, 2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MEC
Â
NICA
Desenvolvimento de um software para a aquisição
de dados de sensores usados em ensaios
tribológicos
PEDRO VICTOR DANTAS DE MENDONÇA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte como parte dos requisitos para a obtenção do título de Engenheiro Mecânico, orientado pela Profª. Juliana Ricardo de Souza.
NATAL - RN
2018
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MEC
Â
NICA
Desenvolvimento de um software para a aquisição
de dados de sensores usados em ensaios
tribológicos
PEDRO VICTOR DANTAS DE MENDONÇA
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso Profª. Dra. Juliana Ricardo de Souza
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Orientador
Prof. Dr. Jarbas Santos Medeiros Instituto Federal da Paraíba - Avaliador externo
Engº. Antônio Paulino de Araújo Neto Avaliador externo
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas as quais presto minha homenagem:
Meus pais Zacarias e Silvia, que deram todo o suporte possível para que eu seguisse o curso que escolhi.
Minha namorada Thaís, por sempre estar ao meu lado e me dando apoio para seguir em frente.
Minha orientadora, que aceitou me ajudar a realizar esse trabalho e que também foi uma ótima professora nas matérias que tive o prazer de ser ensinado por ela.
Meus colegas de turma e amigos da universidade, que estiveram comigo durante toda a jornada e me ajudaram em diversas dificuldades. Em especial ao amigo Antônio Paulino, pelos conselhos e apoio na realização deste trabalho.
A banca de avaliação, pela disponibilidade e atenção.
Ao Grupo de Estudos de Tribologia e Integridade Estrutural (GET) pela estrutura oferecida, orientações e materiais necessários para a realização deste projeto.
A UFRN, pela estrutura e oportunidades dados no decorrer de minha formação para que ela fosse realizada adequadamente.
Mendonça, P.V.D. Desenvolvimento de um software para a aquisição de dados
de sensores usados em ensaios tribológicos. 2018. 40 f. Trabalho de Conclusão
de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.
Resumo
O presente trabalho tem como objetivo o desenvolvimento de um software programável para aquisição de dados de sensores, para a aplicação em ensaios tribológicos. O sistema desenvolvido na plataforma LabVIEW foi feito com ferramentas que recebem as informações dos sensores para o usuário de modo que ele tenha a liberdade de controlar seu funcionamento, escolher parâmetros de entrada que influenciam em como os dados serão aquisitados e visualizar os resultados recebidos de diferentes formas. Para a validação do programa, foi realizada uma calibração dos sensores utilizados no ensaio e depois, nas mesmas condições, o programa foi inicializado, visando realizar comparações e análises de erros entre os valores obtidos e os esperados. A comparação entre os dados foi feita com o intuito de verificar a precisão do sistema desenvolvido em LabVIEW, bem como suas demais funcionalidades. Como resultado foi possível determinar a eficiência do sistema desenvolvido com o modulo de aquisição utilizado.
Mendonça, P.V.D. Development of software for the acquisition of sensor data
used in tribological tests. 2018. 40 p. Conclusion work project (Graduate in
Mechanical Engineering) - Federal University of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2018.
Abstract
The present work has the objective of developing programmable software for the acquisition of sensor data for the application in tribological tests. The system developed in the LabVIEW platform was made with tools that receive information from the sensors to the user so that he is free to control its operation, choosing input parameters of how the data will be acquired and visualize the results received in different ways. For the validation of the program, a calibration of the sensors used in the test was performed and then, under the same conditions, the program was started, aiming to make comparisons and analysis of errors between the values obtained and those expected. The comparison between the data was done in order to verify the accuracy of the system developed in LabVIEW, as well as its other functionalities. As a result it was possible to determine the good efficacy of the system developed with the acquisition module used.
.
Sumário Agradecimentos Resumo Abstract Sumário 1 Introdução ... 1 1.1 Objetivo ... 3 1.2 Hipótese ... 3 2 Revisão bibliográfica ... 4 2.1 Ensaios tribológicos ... 4 2.2 Termopar ... 7 2.3 Célula de carga ... 10 2.4 LVDT ... 11 2.5 Aquisição de dados ... 13 2.5.1 Software de driver ... 15 2.5.2 Software de aplicação ... 16 2.6 LabVIEW ... 16 3 Materiais e metodologia ... 20 3.1 Materiais utilizados ... 20 3.1.1 Tribômetro Pino-Disco ... 20 3.1.2 Termopar ... 22 3.1.3 Célula de carga ... 22 3.1.4 Sensor LVDT... 23
3.1.5 Hardware de aquisição de dados ... 24
3.1.6 Software de driver ... 25
3.1.7 Software de aquisição de dados ... 26
4 Resultados e discussões ... 31
5 Conclusões ... 37
6 Referências ... 38
1 Introdução
Segundo Fraden (2010), sensor é frequentemente definido como um dispositivo que recebe e responde a um sinal ou estímulo e também como “um dispositivo que converte um fenômeno físico em um sinal elétrico” (WILSON, 2005, p.1). Para Wilson (2005), a primeira década do século XXI vem sendo rotulada por alguns como a “década do sensor”, com um dramático aumento em psquisa e desenvolvimento (P&D) de sensores e aplicativos relacionadas a eles nos últimos anos, e com muitos avanços a serem ainda alcançados.
Isso não vem ocorrendo a toa, pois os processos industriais, que são variados e abrangem muitos tipos de produtos, exigem um rigoroso controle em sua fabricação, como, por exemplo, a fabricação dos derivados do petróleo, produtos alimentícios, a indústria de papel e celulose, etc. Em todos estes processos é absolutamente necessário controlar e manter constantes algumas variáveis, tais como: pressão, vazão, temperatura, nível, pH, condutividade, velocidade, umidade, etc. Os instrumentos de medição e controle, os sensores, permitem manter constantes as variáveis do processo, objetivando a melhoria em qualidade, o aumento em quantidade do produto e a segurança. (SENAI, 2003).
Também, para Balbinot e Brusamarello (2007), nos mais diversos campos de pesquisas em ciências e engenharias, procedimentos de controle, medições e automação de processos dos mais variados experimentos tradicionalmente utilizam uma grande gama de sensores, como os de temperatura, pressão, posição, nível, vazão.
Com toda a possibilidade de obtenção de informações, a aquisição de dados deve ser realizada de forma análoga ao que acontece biologicamente. Afinal, além dos sensores feitos pelo homem também existem os sensores naturais, como aqueles encontrados em organismos vivos, que geralmente respondem com sinais de caráter eletroquímico, isto é, sua natureza física é baseada no transporte de íons, como nas fibras nervosas (como um nervo óptico). Nos dispositivos feitos pelo homem, a informação também é transmitida e processada em forma elétrica, no entanto, através do transporte de elétrons. Sensores que são usados em sistemas artificiais devem falar a mesma linguagem que os dispositivos com os quais são interligados (FRADEN, 2010).
Esta linguagem é elétrica em sua natureza e um sensor feito pelo homem deve ser capaz de responder com sinais onde a informação é transportada pelo deslocamento de elétrons, ao invés de íons. Assim, deve ser possível conectar um sensor a um sistema eletrônico através de fios elétricos, em vez de através de uma solução eletroquímica ou uma fibra nervosa. (FRADEN, 2010)
Após a aquisição de dados realizada eletronicamente, por meio de um hardware adequado, é preciso que eles sejam expostos e registrados em tempo real, para que o operador ou monitor dos processos ou experimentos possa analisar seu andamento e estudar as causas de diversos fenômenos. Nesse contexto, o presente trabalho se trata do desenvolvimento de um software para a aquisição de dados de sensores usados em ensaios tribológicos. Em comparação com os sistemas tradicionais de medição analógica, os sistemas de aquisição de dados com base em computadores pessoais exploram a capacidade de processamento, produtividade, sistemas de visualização e recursos de conectividades dos computadores padrão da indústria (NATIONAL INSTRUMENTS, 201-?a). Com isso, segundo National Instruments (201-?a), se tem um sistema de medição mais poderoso, flexível e de melhor custo-benefício.
1.1 Objetivo
O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um software para aquisição de dados de sensores de temperatura, posição e força, que ofereça para o usuário uma interface interativa para a definição de parâmetros desejados e diferentes modos de visualização e registro de seus resultados, para a aplicação em ensaios tribológicos.
1.2 Hipótese
O programa desenvolvido neste trabalho apresentará resultados de medições condizentes com a realidade e de fácil visualização e interação do usuário.
2 Revisão bibliográfica
Neste capítulo, são descritos as características mais relevantes que envolvem o projeto. Primeiramente, apresentam-se as principais características dos tribômetros e seu campo de estudo; em seguida, a definição e a explicação do funcionamento dos sensores utilizados. Na sequência, são retratados os aspectos mais importantes no que diz respeito a conexão e transmissão de dados para o software. Por fim, apresenta-se o programa utilizado para a produção do aplicativo a que se refere o trabalho.
2.1 Ensaios tribológicos
Na definição de Radi et al. (2007): “o tribômetro é um equipamento versátil para medição de propriedades de atrito e desgaste de combinações de materiais e lubrificantes sob condições específicas de carga, velocidade, temperatura e atmosfera”. Como diz Seabra et al. (2015), para se fazer a caracterização tribológica de pares de materiais usando um tribômetro, é necessário controlar variáveis do ensaio como a carga normal aplicada, a velocidade de deslocamento, as condições ambientais, de lubrificação, e outras que sejam relevantes e que influenciam a interação entre as superfícies. Em suma, os tribômetros são os dispositivos usados para a realização de ensaios tribológicos.
Provavelmente um dos primeiros tribômetros foi inventado por Leonardo da Vinci – um dos mestres da renascença (SINATORA, 2005). É esquematicamente mostrado na Figura 1 alguns tribômetros por ele desenvolvidos, onde, segundo Alves (2014), serviu pra encontrar a força de atrito em a) em superfícies horizontais e inclinadas; (b) considerando o efeito da área aparente; (c) utilizando uma polia; e (d) considerando o torque num cilindro. :
Figura 1 - Tribômetro de Da Vinci
Fonte: Sinatora (2005)
Leonardo da Vinci mostrou com seus tribômetros que a força de atrito era proporcional à forma de reação normal (força de atrito é o produto do coeficiente de atrito pela força normal), bem como independente da área de contato, conforme sabemos nos dias de hoje. Como consequências de seus estudos, conseguiu estabelecer a importância de lubrificantes para diminuir a força de atrito (SINATORA, 2005)
Dentre os vários tipos de arranjos de tribômetros que existem na atualidade, como os mostrados na Figura 2, dois dos métodos mais usados para ensaios tribológicos são, segundo Seabra et al. (2015), os métodos linear e o rotativo. O linear consiste em deslizar um apalpador sobre uma amostra, ou vice-versa, em linha reta e consequentemente é gerada uma força de atrito. E o rotativo consiste em usar corpo de contato em forma de anel que se faz rodar em torno de seu eixo e em que é aplicada uma pressão de contato P sobre a amostra.
Figura 2 – Diferentes tipos de tribômetros
Fonte: Farias (2005)
Neste trabalho, foram usados sensores acoplados a um tribômetro pino-disco, que usa o método rotativo. Sobre seu funcionamento, para Nanovea (2013, p.3) pode ser descrito como:
[...] um indentador plano ou esferico que é colocado na amostra de teste com um força precisamente conhecida. O penetrador (um pino ou uma bola) é montado em uma alavanca rígida, projetada como um transdutor de força sem atrito. À medida que a placa se move em movimento rotacional, as forças friccionais resultantes atuando entre a esfera ou pino e a placa são medidas por deflexões muito pequenas do braço, usando um sensor de strain gage. Os valores da taxa de desgaste para o pino e a amostra também podem ser calculado a partir do volume de material perdido durante uma corrida de fricção específica. Este método simples facilita a determinação e estudo do comportamento de atrito e desgaste de quase todos os estados sólidos combinação de materiais, com tempo variável, pressão de contato, velocidade, temperatura, umidade, lubrificação, etc.
Figura 3 – Tribômetro Pino-Disco
Fonte: Nanovea (2013)
A escolha do uso desse tipo de tribômetro se relaciona com os sensores que neles estão inseridos: o sensor de temperatura termopar, o sensor de posição LVDT e o sensor de força célula de carga.
2.2 Termopar
Um termopar é um dispositivo para medir a temperatura com base em efeitos termoelétricos. É um circuito formado por dois condutores de metal diferentes, unidos por seus extremos e entre cujas uniões há uma diferença de temperatura, o que provoca uma força eletromotriz. (ALZATE RODRÍGUEZ; MONTES OCAMPO; SILVA ORTEGA, 2007).
O funcionamento de um termopar ocorre a partir de três efeitos físicos, como diz Beckwith, Marangoni e Lienhard V (2006): O primeiro é o efeito Seebeck, que consiste no fato de que quando dois metais diferentes de unem por meio de duas junções, uma força eletromotriz é gerada entre elas, força cuja quantidade varia conforme os diferentes metais. O segundo é o efeito Peltier, que causa aquecimento ou resfriamento nas juntas entre dois metais quando uma corrente elétrica (gerada pela força eletromotriz) flui através delas. E o terceiro é o efeito Thomson, que diz que existe uma tensão elétrica entre dois pontos que estão em temperaturas diferentes em um condutor (no caso, nas extremidades dos dois metais diferentes).
A Figura 4 mostra o esquema de medição da temperatura T1 de uma chama, com um termopar de dois condutores diferentes (ferro e constantan, uma liga metálica), tendo uma temperatura de referencia T2, sendo representada como a temperatura de gelo. Dessa forma, percebe-se que a temperatura é deduzida da tensão gerada V1.
Figura 4 – Esquema de medição de temperatura com um termopar
Segundo Silva (2006), os termopares são extremamente atrativos devido ao seu baixo custo e a amplitude de temperaturas que é capaz de medir, além do fato de que, pela sua simplicidade, pode trabahar em diversas condições de temperatura e pressão. Sua maior dificuldade seria a exatidão, pois são difíceis obter diferenças de temperatura inferiores a 1ºC. Com base na utilização e nos conhecimentos mais comuns dos dias de hoje, existem 8 tipos de termopares: S, R, B , J, K, N, T, E, com cada tipo sendo formado por metais diferentes e com aplicações diferentes.
Tabela 1 - Tipos de termopares e suas faixas de utilização
Tipo de Termopar Faixa de utilização (°C)
T -200 a 350 J -40 a 750 E -200 a 900 K -200 a 900 S 0 a 1600 R 0 a 1600 B 600 a 1700 N -200 a 1200
Fonte: Thomazini e Albuquerque (2011)
De acordo com Thomazini e Albuquerque (2011), nas últimas décadas foram realizados muitos esforços para o desenvolvimento das técnicas de medição de temperatura utilizando termopares, com a introdução de muitos materiais de termoelementos novos para temperaturas mais altas.
2.3 Célula de carga
Células de carga são, na visão de Thomazini e Albuquerque (2011), estruturas mecânicas, planejadas para receber esforços e deforma-se dentro do regime elástico para que foram planejadas. Essa deformação é capaz de gerar um sinal de saída linear e compatível com a carga aplicada. De acordo com Muller et al. (2010), células de carga são utilizadas para mensurar carga, força e torque e que, quando usadas adequadamente, são sensores confiáveis e precisos. São amplamente utilizadas na industria médica, automotiva, de manufatura, farmacêutica, robótica e em laboratórios de pesquisas.
Segundo Barbosa et al. (2004), o funcionamento de um célula de carga é baseada na variação ôhmica (variação da resistência) sofrida por um extensômetro elétrico de resistência ou strain gauges, quando este é submetido a deformações. Essa variação da resistência elétrica decorre do estreitamento da seção transversal do extensômetro. Uma vez identificada a variação ôhmica dos extensômetros, é possível, por meio de relações de calibração e/ou dados fornecidos pelo fabricante da célula de carga, avaliar as tensões e/ou forças a que a mesma está submetida.
Para Muller et al. (2010), essa variação ôhmica por vezes trazem problemas por serem muito pequenas e de difícil medição. Objetivando minimizar esses efeitos, os extensômetros de uma célula de carga de strain
gauges são colocados num circuito de ponte de Wheatstone, como exposto na
Figura 5. A medida dessa variação é indireta e realizada através da diferença de voltagem no centro da ponte. A ponte de Wheatstone pode ser formada por 1, 2 ou 4 extensômetros, e no último caso é chamada de ponte completa ou full-bridge.
Figura 5 – Circuito formando uma ponte de wheatstone completa
Fonte – Tacuna System (201-?)
Desenvolvimentos futuros dentro de células de carga e outros sensores de força provavelmente incluirão tecnologia sem fio para transmissão de dados digitalizados em distâncias curtas (WILSON, 2005). Segundo Tacuna Systems (201-?), também espera-se o desenvolvimento das células de cargas em miniatura, mais precisas, portáteis e leves, de forma que possam ser incorporadas dentro de materiais e até mesmo do corpo humano. Elas podem ajudar a melhorar a medicina moderna sendo utilizadas em membros artificiais robóticos, por exemplo, que podem criar dedos que possam sentir a pressão e enviar esses dados para o cérebro para que o usuário possa responder.
2.4 LVDT
Segundo Wilson (2005), um Transdutor de Deslocamento Variável Linear, comumente conhecido como LVDT (Linear Variable Differential
Transformer) é um confiável e preciso equipamento eletromecânico usado para
mensurar distancias lineares, muito usado em indústrias como robótica, aviação e manufatura computadorizada.
Para Vemuri e Sullivan (2016, p. 1): “os sensores de posição LVDT são comumente usados para medir posição dos componentes móveis em uma máquina, como válvulas de controle em sistemas hidráulicos e superfícies de controle de aeronaves”. LVDTs são populares por seu design robusto e internamente sem atrito, o que torna esses transformadores um ótimo ajuste para medição de posição em condições ambientais diversas. Para Balbinot e Brusamarello (2010) eles também são conhecidos por terem boa precisão, linearidade, alta resolução e durabilidade aproximadamente ilimitada.
A construção física de um LVDT consiste em um núcleo de material magnético móvel que está envolto por três bobinas que compreendem o transformador estático, como exposto na Figura 6a. Uma das bobinas é o enrolamento primário e as outras duas são as bobinas secundárias, estando os três enrolamentos envolvidos por um mesmo tubo isolante (THOMAZINI; ALBUQUERQUE, 2011).
Figura 6 – Estrutura de um LVDT
Como explica Balbinot e Brusamarello (2010), o seu princípio de funcionamento baseia-se na variação da indutância mútua entre o primário e cada um dos secundários quando o núcleo se move. Quando o primário é alimentado por uma tensão AC, cria-se um campo magnético, que, segundo a lei de Faraday, produz um fluxo magnético entre a bobina primária e as secundárias. Esse fluxo promove tensões induzidas que, na posição central, em cada secundário são iguais. Quando o núcleo se move dessa posição, muda-se o fluxo magnético e também as tensões induzidas, de modo que a tensão de uma bobina secundária aumenta e a outra diminui do mesmo valor. O resultado é uma saída de tensão diferencial Vo, como exposto na Figura 6b, que varia linearmente com a posição do núcleo. O LVDT, portanto, é um sensor que detecta deslocamentos pelo movimento do núcleo magnético.
2.5 Aquisição de dados
“Sistemas de aquisição é o processo de medição de um fenômeno elétrico ou físico, como tensão, corrente, temperatura, pressão ou som, com o uso de um computador” (NATIONAL INSTRUMENTS, 201-?a). Segundo Instrumatic (2011), esses sistemas vêm sendo desenvolvidos para muitos campos de atuação, tanto industriais como científicos. O seu objetivo é apresentar ao observador os valores das variáveis ou parâmetros que estão sendo medidos. Eles são importantes para alcançar níveis maiores de qualidade, redução dos custos, maior desempenho de produção e promover a excelência operacional.
Um sistema de aquisição de dados deve, portanto, medir, analisar e validar as informações adquiridas do mundo real. Dessa forma, esses sistemas devem apresentar uma arquitetura onde os elementos se comunicam, se entendem e interajam entre si. Essa arquitetura é basicamente dividida em três partes: sensor, dispositivo DAQ (Data Aquisition) e computador, como se pode observar na Figura 7:
Figura 7 – Sistema de aquisição de dados
Fonte – National Instruments (201-?a)
Os sensores transformam um fenômeno físico em sinais elétricos que uma vez detectados variam de acordo com os parâmetros físicos que estão sendo monitorados, e devem ser acondicionados para fornecer sinais apropriados ao hardware de aquisição de dados (INSTRUMATIC, 2011).
Segundo Instrumatic (2011), os circuitos e ou elementos de acondicionamento de sinais tratam e otimizam os sinais para que eles se tornem apropriados aos hardwares de aquisição. Neste trabalho, o hardware DAQ atua como a interface entre um computador e sinais do mundo exterior. Ele funciona basicamente como um dispositivo que digitaliza sinais analógicos de entrada de forma que um computador possa interpretá-los. Como mostra National Instruments (201-?b), os elementos de condicionamento de sinais presentes no dispositivo DAQ usado neste trabalho, o NI-USB 6009 são: multiplexagem, uma técnica para poder ler diversos sinais utilizando um único equipamento de medição, de forma que ele lê os sinais de uma entrada analógica por vez; amplificação, para aumentar a resolução de sinais de baixa intensidade, como os dos termopares; conversor analógico/digital ou conversor AD, que tem como função converter o sinal de entrada de natureza analógica vinda do sensor para um valor digital, para que possa ser lida pelo computador; e a entrada analógica first-in-first-out (FIFO), que permite a conversão e armazenamento de múltiplos sinais para que nenhum dos dados se percam em leituras de um número inifinito de amostras.
Figura 8 – Estrutura de condicionameto de sinais do NI-USB 6009
Fonte – National Instruments (201-?b)
Uma vez acondicionados e trabalhados na forma desejada, de acordo com National Instruments (201-?a), um computador com software programável controla a operação do dispositivo DAQ, sendo usado para o processamento, visualização e armazenamento de dados de medição. Num sistema DAQ, há dois tipos de softwares:
2.5.1 Software de driver
O software de driver permite que o software de aplicação interaja com um dispositivo DAQ. Ele simplifica a comunicação com o dispositivo DAQ, abstraindo comandos de hardware de baixo nível e a programação no nível do registro (NATIONAL INSTRUMENTS, 201-?a).
2.5.2 Software de aplicação
O software de aplicação ou o software do ambiente de desenvolvimento é aquele que promove a interação entre o usuário e o computador na aquisição, análise e apresentação dos dados da medição. Ele é um programa pré-construído, com funções predefinidas, ou um ambiente destinado ao desenvolvimento de aplicações com funções variadas. Aplicações produzidas são muitas vezes usadas para automatizar diversas funções de um dispositivo DAQ, executar algoritmos de processamento de sinais e exibir interfaces de usuário customizadas. (NATIONAL INSTRUMENTS, 201-?a) Este software, que é o objeto deste trabalho, foi desenvolvido com o programa LabVIEW da National Instruments.
2.6 LabVIEW
Segundo Lopes (2007), o software de aplicação ou software do ambiente de desenvolvimento é uma ferramenta que permite eficientemente gerar suas próprias aplicações e projetar e integrar as rotinas de um processo particular. Ele permite criar uma interface para um usuário apropriado, com o melhor conjunto de programas para os elementos que interagem com ela, permitindo a aquisição de dados de um dispositivo para que se processem, manipulem e apresentem da maneira desejada.
O software deste trabalho é o LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument
Engineering Workbench) que é uma linguagem de programação gráfica
originária da National Instruments, cuja primeira versão surgiu em 1986. A programação é feita de acordo com o modelo de fluxo de dados, o que oferece a esta linguagem vantagens para a aquisição de dados e para a sua manipulação. Para National Instruments (201-?c), seus principais campos de aplicação são para aplicações que requerem teste, medição e controle, com rápido acesso ao hardware.
Os programas do LabVIEW são chamados de Instrumentos Virtuais, ou Vis e são para isso que ele foi originalmente criado – gerar versões de instrumentos que você pode encontrar em um laboratório em forma de software (MIHURA, 2001). Como explica Bishop (2015), LabVIEW é diferente das linguagens de programação baseadas em texto (como Fortran e C) pois usa uma linguagem de programação gráfica, conhecida como a linguagem de programação G, para criar programas baseados em símbolos gráficos para descrever ações de programação, sendo uma terminologia familiar aos cientistas e engenheiros e facilmente identificados por inspeção visual.
Segundo Travis e Kring (2006), os VIs podem ser divididos em duas partes: o painel frontal e o diagrama de blocos. O painel frontal é a interface de usuário interativa de um VI, assim chamado porque simula a frente painel de um instrumento físico (ver Figura 9). O painel frontal pode conter botões, interruptores, gráficos e muitos outros controles (que são entradas do usuário) e indicadores (que são saídas do programa). Pode-se inserir dados usando um mouse e teclado e, em seguida, exibir os resultados produzido pelo programa na tela. Simplificando, o painel frontal é a janela através da qual o usuário interage com o programa.
Figura 9 – Exemplo de painel frontal do LabVIEW
Fonte – Travis e Kring (2006)
Travis e Kring (2006) também discorrem sobre o diagrama de blocos que é o código-fonte do VI, construído na linguagem de programação gráfica do LabVIEW, G, e corresponde às linhas de texto encontradas em uma linguagem mais convencional como C ou Fortran. O diagrama de blocos é o programa executável real. Os componentes de um diagrama de blocos são VIs de nível inferior, funções internas, constantes e estruturas de controle de execução de programa. Nas Figuras 10 e 11, são expostos exemplos de um diagrama de blocos e seu correspondente no painel frontal.
Figura 10 – Exemplo de Diagrama de blocos do LabVIEW
Fonte – Mihura (2001)
Figura 11 - Exemplo de painel frontal do LabVIEW
Fonte – Mihura (2001)
Desenham-se os fios para conectar os objetos apropriados para definir o fluxo de dados entre eles e executar funções específicas. Os objetos do painel frontal têm terminais correspondentes no diagrama de blocos, para que os dados possam passar do usuário para o programa e de volta para o usuário, de modo que, quando se coloca um controle ou indicador no painel frontal, o LabVIEW cria automaticamente um terminal correspondente no diagrama de blocos.
3 Materiais e metodologia
Neste capítulo serão descritos os materiais e métodos utilizados para a aquisição dos dados.
3.1 Materiais utilizados
Os materiais e equipamentos utilizados para a coleta de dados são descritos nos itens a seguir.
3.1.1 Tribômetro Pino-Disco
O tribômetro pino-disco usado no trabalho é do modelo TE-165-SPOD e tem as seguintes especificações técnicas segundo o fabricante Magnum Engineers (201-?):
Figura 12 – Dispositivo Pino-Disco usado no trabalho
Fonte: Magnum Engineers (201-?)
Faixa de carga normal - até 200 N
Faixa de força de atrito - Até 200 N com resolução de 1N com facilidade de tara
Faixa de medição de desgaste - ± 2 mm com facilidade de tara
Velocidade do disco - 100 a 2000 rpm
Faixa de temporizador predefinida - até 99 horas: 59 minutos: 59 segundos
Diâmetro do disco de desgaste - 165 mm, espessura de 8 mm (EN 31 Mtrl, disco 58 - 60 HRC)
Diâmetro da faixa do disco de desgaste - 10 a 140 mm
Diâmetro do pino da amostra / diagonal - dia. 3 mm a 12 mm
3.1.2 Termopar
Neste trabalho foi utilizado um sensor termopar do tipo K, que é encontrado no tribômetro pino-disco cujo projeto foi baseado.
3.1.3 Célula de carga
O sensor célula de carga utilizado neste trabalho é a célula de carga modelo BR-021 HO da IPA com modelo binocular (ver Figura 13) e com precisão e eficiência adequados para cargas leves.
Figura 13 – Sensor célula de carga utilizado
Suas especificações técnicas podem ser conferidas abaixo, segundo IPA (201-?):
Capacidade: 0 – 20 kg
Saída nominal (mV/V): 1,5
Erro combinado (% saída nominal): 0,05
Repetibilidade (% saída nominal): 0,05
Resistência de entrada (ohms): 390
Resistência de saída (ohms): 350
Temperatura de operação (ºC): 5-70 Sobrecarga segura (%): 200 Sobrecarga última (%): 300 Voltagem de excitação (V): 10 Razão de entrada (mv/V): 1,5 3.1.4 Sensor LVDT
O sensor LVDT utilizado neste trabalho é do modelo SI-706 da SYSCON, e, segundo seu fabricante Syscon Instruments (201-?) e também segundo o fabricante do tribômetro pino-disco usado nesse trabalho, Magnum Engineers (2014), ele tem um alcance de ± 2 mm, uma excitação de 1 V R.M.S pra uma frequência de 4 kHz seinoidal. Sua temperatura de operação varia aproximadamente de 10 ºC a 50 ºC.
3.1.5 Hardware de aquisição de dados
O hardware utilizado no projeto, o NI USB-6009 (ver Figura 14), é, segundo National Instruments (201-?d), um dispositivo que oferece funções básicas para aquisição de dados em medições portáteis e experimentos de laboratórios acadêmicos, com conexão com o computador por meio de USB e conexão com sensores usando terminais de parafusos.
Figura 14 – Módulo NI USB-6009
Possui como principais características, segundo National Instruments (2017):
8 entradas analógicas(14 bits, 48 kS/s), 2 saídas analógicas, e 13 canais que podem ser usados como entrada e saída de sinais digitais.
Um contador de 32 bits.
Dimensões sem conectores: 63.5 mm × 85.1 mm × 23.2 mm
Dimensões com conectores: 81.8 mm × 85.1 mm × 23.2 mm
Peso sem conectores: 54g
Peso com conectores: 84g
Conector: USB serie B receptáculo
Temperatura de operação: 0ºC a 55ºC
Impedância da entrada analógica: 144 kΩ
Impedância da saída analógica: 50 Ω
Tensão de operação: ± 10 V
3.1.6 Software de driver
Neste trabalho, o software de driver usado é o NI-DAQmx versão 16.0.0 instalado num computador de sistema operacional Windows 7. É o software de driver padrão para comunicação com hardwares de aquisição de dados da National Instruments.
3.1.7 Software de aquisição de dados
O software de aplicação para o desenvolvimento do programa é o LabVIEW 2014, versão estudantil, da National Instruments, instalado num computador de sistema operacional Windows 7.
3.2 Metodologia
O projeto consiste no desenvolvimento de um programa para a aquisição de dados de sensores (termopar, célula de carga e LVDT) de um tribômetro pino-disco localizado no Laboratório de Triblogia e Dinâmica da UFRN. O programa foi desenvolvido em LabVIEW o usuário modifica os parâmetros, visualiza os resultados e controla os funcionamento do sistema por meio do painel frontal do programa, como pode ser visualizado na Figura 15.
Na Figura 14, é exibido a tela inicial do programa, com a aba de início falando sobre o que são os parâmetros de operação a esquerda. O usuário deve colocar as informações necessárias para o correto funcionamento, conforme informado na aba inicial, e tem também a possibilidade de interromper o programa quando desejar e de salvar os dados aquisitados de todos os sensores numa planilha do Microsoft Excel ou em formato txt, salva num diretório a sua escolha.
Nas abas Temperatura, Força e Deslocamento, são exibidos os dados de aquisição do termopar, com um indicador da última medição realizada, e um indicador da média das últimas X medições realizadas. Esse valor X é escolhido pelo usuário, conforme a conveniência, para que possa facilitar a análise dos dados com uma análise da média aritmética, pois por diversas razões os valores podem variar na medição. Também é perceptível a existência de um gráfico da unidade da aba em função do tempo desde o início da execução do programa. Na aba Temperatura, como visto na Figura 16, há uma barra indicadora da temperatura que ajuda a visualização, simulando um termômetro de mercúrio.
Nas abas Força e Deslocamento, além dos elementos já mencionados, existe o botão “Tarar medição”, que serve para indicar a situação de 0 N e 0mm, respectivamente, para que a medição aconteça em cima de um valor de referência. As abas podem ser vistas nas Figuras 17 e 18.
Figura 17 – Aba de medição de força
Também existe a aba “Todos os sensores”, que serve para que o usuário possa visualizar todos os dados aquisitados de uma só vez, representados em gráficos apontando cada uma das medições em função do tempo e um indicador da média das últimas X medições.
Figura 19 – Aba de exibição da medição de todos os sensores
O diagrama de blocos, o código do programa propriamente dito na linguagem G, foi criado usando uma estrutura de repetição principal While, que faz com que o programa rode até que a condição de parada seja atingida, sendo ela o tempo máximo atingido ser alcançado ou o botão Parar ser pressionado pelo usuário.
O programa também fez uso de shift registres, que armazenam um determinado valor para que possa ser utilizado posteriormente, no ato de tarar, de modo que o valor correspondente a 0 seja usado sempre como referência. Também foi utilizada estruturas case, para quando se faz necessário que o usuário escolha quando determinado comando será necessário ser acionado ou não.
Figura 21 – Estrutura Shift Register
Figura 22 – Estrutura Case
Essas estruturas de repetição aliadas com elementos com outras funções e constantes foram a base para a montagem do projeto. A visão completa do diagrama de blocos desenvolvido se encontra em Anexos.
4 Resultados e discussões
Para a validação dos resultados, foram primeiramente realizadas calibrações dos sensores no programa e posteriormente executadas medições dos parâmetros medidos de cada sensor para que houvesse comparações entre os resultados das medições previstas nas calibrações e das obtidas no ensaio de validação.
A calibração do sensor de célula de carga foi realizada com pesos padrões de 0,5 kg, 1 kg e 2 kg, juntamente com a bandeja de apoio de 0,24 kg, encontrados no Laboratório de Tribologia e Dinâmica da Universidade Federal do Rio Grande do Norte (UFRN). A calibração do sensor de deslocamento LVDT foi executada com folhas de papel de 0,074 mm de espessura e a calibração do sensor termopar usou um termômetro de mercúrio para auxiliar na aferição da temperatura medida.
É possível perceber com os resultados da Tabela 2 que o sensor de célula de carga apresentou bons resultados em relação a aqueles previstos pela calibração no programa. A diferença absoluta entre os valores apresentou como valor máximo 3,17 N, numa medição de uma massa que teve um erro percentual de apenas 2,64%. Em termos de erros percentuais, a maioria exibiu valores inferiores a 10%, com exceção dos primeiros valores que, com a margem da diferença absoluta girando em torno de 2, fizeram com que o erro percentual fosse elevado em relação aos demais. Na Figura 24 foi exposto um gráfico de valores obtidos por valores esperados, que mostrou uma linha de tendência linear bem clara, com a equação de correção de calibração do sensor exibida abaixo. Outro indicativo da qualidade dos resultados é o valor elevado do r-quadrado, bem próximo de 1, como se vê na Figura 24.
Tabela 2 – Resultados célula de carga
Massa medida (kg) Valor esperado (N) Valor obtido (N) Diferença Erro (%)
0 0 0 0 0,00 0,24 2,35 4,74 2,38 101,16 0,74 7,26 9,20 1,95 26,80 1,24 12,16 12,49 0,33 2,68 1,74 17,07 16,55 0,52 3,04 2,24 21,97 23,40 1,43 6,49 2,74 26,88 25,33 1,55 5,76 3,24 31,78 30,48 1,30 4,10 3,74 36,69 36,12 0,57 1,55 4,24 41,59 40,55 1,04 2,51 4,74 46,50 45,59 0,91 1,96 5,24 51,40 51,45 0,05 0,09 6,24 61,21 62,66 1,45 2,36 7,24 71,02 72,44 1,42 1,99 8,24 80,83 81,65 0,82 1,01 9,24 90,64 92,17 1,53 1,68 10,24 100,45 101,49 1,04 1,03 12,24 120,07 123,24 3,17 2,64 14,24 139,69 141,15 1,46 1,04 16,24 159,31 160,76 1,45 0,91 18,24 178,93 180,45 1,52 0,85 20,24 198,55 201,36 2,81 1,41
Figura 24 – Gráfico de resultados de medição de força
É possível perceber com os resultados da Tabela 3 que o sensor de deslocamento LVDT apresentou bons resultados em relação a aqueles previstos pela calibração no programa. A diferença absoluta entre os valores apresentou como valor máximo de 0,008 mm, em medições de erros percentuais de apenas 1,54% e 1,20%. Em termos de erros percentuais, todos exibiram valores inferiores a 7%, tendo o maior deles um erro de 6,76% e como segundo maior apenas 1,80%.
Na Figura 25 foi exposto um gráfico de valores obtidos por valores esperados, que mostrou uma linha de tendência linear bem definida e homogênea, com a equação de correção de calibração do sensor exibida abaixo na Figura. O valor de r-quadrado apresentado é aproximadamente igual a 1, sendo outro indicativo da qualidade dos valores obtidos. Tais resultados se mostraram muito satisfatórios, principalmente levando em consideração que o sensor de deslocamento linear LVDT é bastante sensível a variações e exige uma boa exatidão principalmente para a aplicação na área da tribologia, cujas rugosidades chegam a ser microscópicas.
y = 0,9881x + 0,0505 R² = 0,9996 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 250 V al or e sp e ra d o (N) Valor obtido (N)
Tabela 3 – Resultados sensor LVDT
Valor esperado (mm) Valor obtido (mm) Diferença Erro (%)
0,000 0,000 0 0,00 0,074 0,069 0,005 6,76 0,148 0,146 0,002 1,35 0,222 0,218 0,004 1,80 0,296 0,293 0,003 1,01 0,370 0,367 0,003 0,81 0,444 0,440 0,004 0,90 0,518 0,510 0,008 1,54 0,592 0,587 0,005 0,84 0,666 0,658 0,008 1,20 0,740 0,735 0,005 0,68
Figura 25 – Gráfico de resultados de medição de deslocamento linear
y = 1,0068x + 0,0018 R² = 1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 V al or e sp e ra d o (m m ) Valor obtido (mm)
Pode-se ver com os resultados da Tabela 4 que o sensor de temperatura termopar apresentou resultados relativamente próximos em relação àqueles previstos pela calibração no programa. A diferença absoluta entre os valores apresentou como valor máximo de 5°C, em medições de erros percentuais de 25%. Em termos de erros percentuais, nos intervalos de 0°C a 5°C e de 30°C a 35°C, foram obtidos resultados iguais aos esperados, com um erro de 0%, mas os resultados entre 5°C e 25°C apresentaram valores que divergem consideravelmente do esperado.
As dificuldades em se conseguir resultados tão precisos no sensor termopar do que nos outros sensores, célula de carga e LVDT, se deve, entre outras razões, ao fato de que o módulo NI USB-6009 não é indicado especialmente para a medição de temperaturas utilizando o termopar, já que este apresenta uma diferença de voltagem com sua mudança de temperatura cuja resolução do módulo não atende com grande exatidão. Apesar disso, com resultados acima de 25°C, foram atestados valores praticamente iguais aos esperados, o que é muito bom, pois a temperatura de operação do dispositivo pino-disco, geralmente é numa faixa de temperatura elevada.
Tabela 4 – Resultados sensor termopar
Valor esperado (°C) Valor obtido (°C) Diferença Erro (%)
0 0 0 0,00 5 5 0 0,00 10 7 3 30,00 15 11 4 26,67 20 15 5 25,00 25 23 2 8,00 30 30 0 0,00 35 35 0 0,00
Figura 26 – Gráfico de resultados de medição de temperatura
Na Figura 26, foi exposto um gráfico de valores obtidos por valores esperados, que mostrou uma linha de tendência linear não tão bem definida como nas Figuras 24 e 25, assim como o valor do r-quadrado mais distante de 1 do que os demais. Resultado esperado, tendo em vista os resultados da Tabela 3, com a equação de correção de calibração do sensor exibida abaixo na Figura 26. y = 0,9683x + 2,2487 R² = 0,9729 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 5 10 15 20 25 30 35 40 V al or e s e sp e ra d os ( °C) Valores obtidos (°C)
5 Conclusões
Neste trabalho, realizou-se o desenvolvimento de um software para aquisição de dados de sensores em ensaios tribológicos. Foi desenvolvido um aplicativos executável usando o LabVIEW de modo que o usuário tenha condições de interagir com o programa e escolher as condições da aquisição e visualização dos resultados.
Como meio de validar o uso deste programa, foram realizadas calibrações de sensores presentes num tribômetro pino-disco: o termopar, a célula de carga e o sensor de deslocamento LVDT. Após as calibrações, foram executados ensaios para comparar as leituras obtidas pelo programa com as leituras esperadas, expostas em tabelas e gráficos.
Com o fim das leituras de validação, foi constatado que os resultados obtidos têm correspondência com os esperados pela calibração, apresentando uma pequena margem de diferença absoluta entre os valores, de modo que a diferença percentual entre o obtido e o esperado é majoritariamente aceitável para os três sensores experimentados.
Para trabalhos futuros, sugere-se que o programa seja testado para o uso em outros experimentos tribológicos e em outras áreas da engenharia mecânica, podendo ser agregadas novas funcionalidades e ferramentas ao projeto já desenvolvido, como a geração automática de relatórios de medição com valores de média e desvio padrão dos resultados, a exportação dos dados aquisitados para outras plataformas além do Excel, a possibilidade do usuário salvar a figura dos gráficos em um formato de imagem como JPEG ou PNG e a inicialização do software por meio do hardware, bem como a possibilidade da execução de uma calibração automática feita pelo aplicativo para qualquer sensor, uma vez que neste trabalho foi realizada uma calibração específica dos sensores encontrados no tribômetro utilizado.
6 Referências
ALVES, F. R. Desenvolvimento de um tribômetro, tipo cilindro sob disco, para ensaios tribológicos em formulações com óleos vegetais. 2014. Dissertação de mestrado – Universidade Estadual Paulista – Ilha Solteira.
ALZATE RODRÍGUEZ, E. J.; MONTES OCAMPO, J.W.; SILVA ORTEGA, C.A. Medición de temperatura: sensores termoeléctricos. Scientia Et Technica, vol. XIII, n. 34, p. 1-6, mai., 2007.
BALBINOT, A.; BRUSAMARELLO, V.J. Instrumentação e fundamentos de medidas, v.1. 2 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2010
BARBOSA, F. S. et al. Modelagem numérica e análise experimental aplicadas ao projeto de uma célula de carga. In: XXV CILAMCE - Congresso Ibero-Latino-Americano de Métodos Computacionais para Engenharia, 2004, Recife PE. Anais do XXV CILAMCE - Congresso Ibero-Latino-Americano de Métodos Computacionais para Engenharia, 2004.
BECKWITH, T. G.; MARANGONI, R. D.; LIENHARD V, J. H. Mechanical Measurements. 6 ed. Pierson, 2006.
BISHOP, R. Learning with LabVIEW. 8 ed. Upper Saddle River: Pearson, 2015. FARIAS, D. F. Utilização da geometria disco-disco para investigação da capacidade de proteção ao desgaste de lubrificantes sob condições elastohidrodinâmicas. 2005. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005.
FRADEN, J. Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs and Application. 4 ed. Nova York: Springer, 2010.
INSTRUMATIC. Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados, 2011. Disponível em: <http://www.instrumatic.com.br/artigo/sistemas-de-supervisao-e-aquisicao-de-dados>. Acesso em: 11 mai. 2018.
IPA. Binocular ring type load cell. 201-?. Disponível em: <http://www.ipaindia.com/products/binocular-load-cell/>. Acesso em: 20 mai. 2018.
MAGNUM ENGINEERS. Pin on disc friction & wear test rig: Instruction manual for installation, operation and maintenance. 2014.
MAGNUM ENGINEERS. Pin on disc friction & wear test rig – TE – 165 - SPOD. 201-?. Disponível em: <http://magnumengg.com/product/pin-disc-friction-wear-test-rig-te-165-spod/>. Acesso em: 20 mai. 2018.
MAÎTRE, S. Two Wire Pressure Transmitter using Bourdon Tube Pressure Sensor and LVDT - An Advance Pressure Transmitter. Foundation of Computer Science. Vol.3, N.6, 2015, il.
MIHURA, B. LabVIEW for data acquisition. 1 ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2001.
MULLER, I. et al. Load Cells in Force Sensing Analysis – Theory and a Novel Application. IEEE Instrumentation and Measurement Magazine, vol. 13, n.1, pp. 1–16, 2010.
NANOVEA. ASTM G99 Tip’s Perspective Continuous Wear Contact, 2013. Disponível em: <http://nanovea.com/App-Notes/astm-g99-wear-test.pdf>. Acesso em: 11 mai. 2018
NATIONAL INSTRUMENTS. USB-6009 specifications. 2017. Disponível em: < www.ni.com/pdf/manuals/375296c.pdf>. Acesso em: 12 mai. 2018.
NATIONAL INSTRUMENTS. O que é aquisição de dados?, 201-?a. Disponível em: <http://www.ni.com/data-acquisition/what-is/pt/>. Acesso em: 9 mai. 2018 NATIONAL INSTRUMENTS. User guide and specifications NI USB- 6008/6009, 201-?b. Disponível em: <http://www.ni.com/pdf/manuals/371303m.pdf> . Acesso em 12 mai. 2018.
NATIONAL INSTRUMENTS. O que é o LabVIEW?, 201-?c. Disponível em: <http://www.ni.com/pt-br/shop/labview.html> . Acesso em: 12 mai. 2018.
NATIONAL INSTRUMENTS. USB-6009. 201-?d. Disponível em: < http://www.ni.com/pt-br/support/model.usb-6009.html> . Acesso em: 12 mai. 2018.
RADI, P. et al. Tribologia, conceitos e aplicações. In: ENCONTRO DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA E PÓS-GRADUAÇÃO DO ITA, 13, 2007, São José dos Campos, Anais, 1 a 4 de out. 2007, p. 4.
SEABRA, E. et al. Estudo, conceção, desenvolvimento e construção de um tribómetro linear para testes na pela humana. In: CONGRESSO INTERNACIONAL DE ENGENHARIA DE PROJETOS, 19, 2015, Granada, Anais do XIX Congresso Internacional de Engenharia de Projetos, 15 a 17 jul. 2015, p. 2 - 5.
SENAI-SC. Instrumentação Industrial. Tubarão, 2003.
SILVA, H. B. Montagem de um controlador de temperatura usando termopar. 2006. Monografia – Universidade Federal de Uberlândia – Uberlândia.
SINATORA, A. Tribologia: um resgate histórico e o estado da arte. Prova de Erudição, São Paulo, 2005.
SYSCON INSTRUMENTS. Displacement Sensors. 201-?. Disponível em: <http://www.sysconinstruments.com/product4.html>. Acesso em: 21 mai. 2018. THOMAZINI, D.; ALBUQUERQUE, P. U. B. Sensores Industriais: Fundamentos e Aplicações. 8 ed. São Paulo: Érica, 2011.
TRAVIS, J.; KRING, J. LabVIEW for Everyone: Graphical Programming Made Easy and Fun. 3 ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2006.
VEMURI, A. T.; SULLIVAN, M. Ratiometric measurements in the context of LVDT-sensor signal conditioning. Analog Applications Journal 2016, n. 3, p. 1, 2016.
7 Anexos
