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17Março/Abril 2011 :: Mecatrônica Atual conectividade MA50_Med_Vazao_v2.indd 17 13/6/2011 11:40:36 � Editora Saber Ltda Diretor Hélio Fittipaldi Associada da: Associação Nacional das Editoras de Publicações Técnicas, Dirigidas e Especializadas Atendimento ao Leitor: atendimento@mecatronicaatual.com.br Os artigos assinados são de exclusiva responsabilidade de seus autores. É vedada a reprodução total ou parcial dos textos e ilustrações desta Revista, bem como a industrialização e/ou comercialização dos aparelhos ou idéias oriundas dos textos mencionados, sob pena de sanções legais. As consultas técnicas referentes aos artigos da Revista deverão ser feitas exclusivamente por cartas, ou e-mail (A/C do Departamento Técnico). São tomados todos os cuidados razoáveis na preparação do conteúdo desta Revista, mas não assumimos a responsabilidade legal por eventuais erros, principalmente nas montagens, pois tratam-se de projetos experimentais. Tampouco assumimos a responsabilidade por danos resultantes de imperícia do montador. Caso haja enganos em texto ou desenho, será publicada errata na primeira oportunidade. Preços e dados publicados em anúncios são por nós aceitos de boa fé, como corretos na data do fechamento da edição. Não assumimos a responsabilidade por alterações nos preços e na disponibilidade dos produtos ocorridas após o fechamento. Editor e Diretor Responsável Hélio Fittipaldi Revisão Técnica Eutíquio Lopez Redação Elizabete Rossi Publicidade Viviane Galhardi Designer Diego Moreno Gomes Colaboradores César Cassiolato Cesar da Costa Denis F. Ramos Eduardo Pinheiro Evaristo O. Alves Filipe Rodrigues Pereira Francisco José Grandinetti Marcio Abud Marcelino Octavian Postolache Paulo Antonio dos Santos Auteliano A. dos Santos Júnior Pedro Girão www.mecatronicaatual.com.br PARA ANUNCIAR: (11) 2095-5339 publicidade@editorasaber.com.br Capa Petrobras SA/Divulgação Impressão Parma Gráfica e Editora Distribuição Brasil: DINAP Portugal: Logista Portugal tel.: 121-9267 800 Mecatrônica Atual é uma publicação da Editora Saber Ltda, ISSN 1676-0972. Redação, administração, publicidade e correspondência: Rua Jacinto José de Araújo, 315, Tatuapé, CEP 03087-020, São Paulo, SP, tel./fax (11) 2095-5333 ASSINATURAS www.mecatronicaatual.com.br fone: (11) 2095-5335 / fax: (11) 2098-3366 atendimento das 8:30 às 17:30h Edições anteriores (mediante disponibilidade de estoque), solicite pelo site ou pelo tel. 2095-5330, ao preço da última edição em banca. Nesta edição tratamos, entre outros artigos, sobre a “Medição de Vazão – 3ª Grandeza mais Medida nos Processos Industriais”. Avança em nosso país a implantação das indústrias que podem utilizar muito a medição de vazão, seja em estações de tratamento de água em residências, indústria alimentícia de refri- gerantes, cervejas, sucos, leite até a medição de gases industriais e combustíveis. A tendência nos próximos anos é crescer muito a produção de álcool, e com o pré-sal os combustíveis de origem fóssil. Assim, este artigo mostra um pouco desta área, contando rapida- mente a história, sua importância na automação, controle de processos e os avanços tecnológicos. Estamos em alerta para apresentarmos matérias em todas essas áreas, que podem auxiliar os nossos leitores nos desafios do dia a dia. Para tanto, pesquisamos o merca- do frequentando feiras e eventos menores onde possamos encontrar novos produtos, softwares e serviços. Em nossa página de notícias desta edição, mostramos as novas instalações da Jomafer em Guarulhos - São Paulo (www.jomafer.com.br), onde temos a prestação de serviços de corte a laser e a água. Pode parecer que o corte a água não tem muito mistério, mas muitas peças em aço precisam ser cortadas em chapas com até 300 milímetros de espessura e a precisão, rapidez e qualidade, só esta máquina pode fazer o serviço desejado, devido aqui no Brasil. Não deixe de acompanhar a série de artigos sobre o primeiro e-Kart totalmente movido a eletricidade com KERS e controle de tração eletrônico, na revista Saber Eletrônica (www.sabereletronica.com.br). É o mesmo sistema utilizado pelas montadoras, nos carros híbridos que já estão circulando em nossas ruas. Este sistema da Infineon é uma família com várias capa- cidades, servindo para controlar robôs, talhas, empilhadeiras, automóveis, carrinhos elétricos de transporte, próteses humanas de pé, perna, braço, etc... Ah! O projeto é totalmente aberto com software open source. Submissões de Artigos Artigos de nossos leitores, parceiros e especialistas do setor, serão bem-vindos em nossa revista. Vamos analisar cada apresentação e determinar a sua aptidão para a publicação na Revista Saber Eletrônica. Iremos trabalhar com afinco em cada etapa do processo de submissão para assegurar um fluxo de trabalho flexível e a melhor apresentação dos artigos aceitos em versão impressa e online. Editorial Hélio Fittipaldi � índice Editorial Eventos Notícias 03 06 08 28 40 13 18 44 20 34 20 44 Medição de Tensões Mecânicas por Métodos Não Destrutivos O que é a Tecnologia de Tempo Real? Medição de Vazão - a 3ª Grandeza Mais Medida nos Processos Industriais Entendendo as Reflexões em Sinais Profibus Controladores de temperatura PID Modulação PWM nos Inversores de Frequência Identificação de Sistemas na Otimização do Controle de Nivel em Regime Não Linear MA50_Editorial.indd 4 13/6/2011 12:15:56 SE451_Noticias.indd 13 24/2/2011 12:41:41 � eventos literatura Este livro tem o propósito de servir de livro-texto básico para diversos tipos de cursos na área de Eletrônica Digital, seja no contexto de graduação, licen- ciatura, tecnologia ou em cursos de pós-graduação. A estrutura dos assuntos em dez capítulos e dois apêndices procurou seguir a natural organização de uma nova técnica de ensino de Lógica Programável, que, em relação ao ensino da tradicional Eletrônica Digital, não se alterou com o tempo. Somente foram introduzidos novos conceitos de projeto, simulação e teste de circuitos digitais com a linguagem VHDL, parecendo ser, por isso, uma metodologia apropriada, inclusive, permitindo ainda que o livro possa ser utilizado até mesmo para estudos individuais por principiantes. Esta obra apresenta de forma didática os conceitos necessários para o leitor aprender como projetar e configurar sistemas digitais simples ou complexos como processamento de sinais DSP com dispositivos PLDs (FPGA e CPLD), aplicando lógica programável com VHDL. Elementos de Lógica Programável com VHDL e DSP Autores: Cesar da Costa, Leonardo Mesquita e Eduardo Pinheiro Preço: R$ 112,00 Onde comprar: www.novasaber.com.br Junho Norma IEC 61131-3 para Programação de Controladores Organizador: ISA – Distrito 4 (América do Sul) Data: 07 e 08 Local: Hotel Mercure Times Square – Av. Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP www.isadistrito4.org.br Autocom 2011 Organizador: Maxprint Data: 07, 08 e 09 Local: Expo Center Norte, Rua José Bernardo Pinto, 333 - Pavilhão Verde - São Paulo/SP www.ciab.org.br Expedition 2011: Brasil, o clique da vez. Você está pronto? Organizador: Agis Distribuição Data: 09 Local: Plazza Mayor – Rua Coronel Fernando Prestes, 278 - Santo André/SP www.agisexpedition.com.br Pavilhões Internancionais tem destaque na Brasil OffShore 2011 Organizador: Brasil OffShore Data: 14 a 17 Local: Centro de Exposições Jornalista Roberto Marinho - Rod. Amaral Peixoto, km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ www.brasiloffshore.com Conferência Intenancional da Brasil Offshore 2011 Abertura dia 14 de junho, horário 16 horas. Data: 15 a 17 Local: Centro de Exposições Jornalista Roberto Marinho - Rod. AmaralPeixoto, km 170 – São José do Barreto - Macaé/RJ www.brasiloffshore.com XXI CIAB - Congresso e Exposição de Tecnologia da Informação das Instituições Financeiras Organizador: Federação Brasileira de Bancos Data 15, 16 e 17 Local: São Paulo/SP Informações: www.ciab.org.br ou www.febraban.org.br EFD (PIS/CONFINS Novo X DACON Mensal ( versão 2.4) Organizador: edukaBRASIL Data: 20 Local: Espaço T&D Paulista – Alameda Santos, 1893 - 1º andar – São Paulo/SP www.anaabreu.com.br Sintonia de Malha de Controle (PID) Organizador: ISA – Distrito 4 Data: 20 a 22 Local: Hotel Mercure Times Square – Av. Jamaris, 100 - Moema – São Paulo/SP www.isadistrito4.org.br Entelco Telecon Organizador: Mikro Tik MTCNA I Data: 27 e 28 Local: Hotel Manibu – Recife/PE MA50_Literatura.indd 6 13/6/2011 10:56:56 �2011 :: Mecatrônica Atual //notícias JOMAFER inaugura nova sede e novo serviço de corte a laser de tubos Neste ano em que completa 33 anos de fundação, a Jomafer inaugura nova sede em Guarulhos – São Paulo. A reportagem da revista Mecatrônica Atual foi especialmente convidada pelo seu diretor José Mário para registrar este novo marco da vida da empresa. Atendendo os segmentos de máquinas e equipamentos em geral, implementos agrícolas, rodoviários, informática, cons- trução civil, concreto pré-moldado, arquitetura, comunicação visual e design, a Jomafer vem investindo, ao longo desses anos, em tecnologia avançada e mão de obra selecionada. Em 1978 foram iniciadas as atividades da empresa com os serviços de corte e dobra de perfis especiais. Nos anos seguintes os investimentos foram direcionados para oferecer ao mercado, serviços com soluções em cortes de chapas. O programa de modernização em 1995 foi concentrado na importação de dobradeiras e guilhotinas CNC. Nos últimos 13 anos a Jomafer teve a certificação ISO 9000 renovada pe- riodicamente, e no novo século entrou em atividade o serviço com Puncionadeira CNC, onde começou a produzir peças com furações e detalhes geométricos. Em 2001, passou a oferecer serviço de corte com jato de água de alta pressão, sendo a única empresa da América do Sul com a máquina que corta chapas de aço de 300 milímetros, materiais compostos e não metálicos. Possui também as máquinas para corte a LASER para peças com geometrias complexas e bom acabamento. Com a nova planta inaugurada agora, entra também um novo serviço à disposição dos clientes que é o corte a LASER de tubos, seguido nos próximos meses também ao serviço de curvamento dos mesmos. Assim, a empresa vem acompanhando a evolução do mercado brasileiro e sempre com a utilização de equipamentos de última geração para ter o melhor TCO. Saiba mais em www.jomafer.com.br MA50_Noticias.v4.indd 7 13/6/2011 11:18:49 � Mecatrônica Atual :: 2011 //notícias Acionamentos de alto desempenho para instalações portuárias Motorredutores sob cargas extremas Para este propósito, a NORD pode especificar e fornecer motorredutores com eixo helicoidal e inversores de frequ- ência produzidos pela própria empresa. Os motorredutores para pontes rolantes e trolleys aplicam-se em faixas de desempenho de até 160 kW com uma grande variedade de relações de transmissão. Disponível em designs de duas ou três fases com eixo vazado ou sólido, os usuários podem escolher entre modelos com uma base de suporte, modelos com flange e modelos montados no eixo. Todos os modelos são equipados com o mesmo corpo, com economia de espaço que permite uma fácil integração. Motores utilizados em pontes rolantes e trolleys costumam operar ininterruptamente em portos muito ocu- pados. No entanto, se o volume de negócios diminui devido às condições de mercado, algumas instalações de carga podem ficar paradas por longos períodos de tempo. A norma de construção dos motores deve, obviamente, assegurar que a operação normal pode ser diretamente retomada após cada paralisação prolongada. Além desses fatores de carga em cons- tante alteração, as recorrentes condições climáticas rigorosas e as temperaturas extremas, bem como a água salgada em ambientes marítimos, requerem um material anti corrosão adequado a longo prazo. Se necessário, os motorredutores da NORD estão disponíveis com proteção IP55 ou IP66. Todos os modelos também estão disponíveis nas versões ATEX. Diante de um fluxo incessante de cargas com várias tonela- das, os acionamentos das pontes rolantes portuárias estão sob constante pressão. Os usuários necessitam e exigem soluções confiáveis que proporcionem uma dinâmica excelente, precisão de posicionamento, e uma eficiente relação custo/benefício. Deste modo, os motores da ponte rolante e dos trolleys utilizados em gruas de estaleiro ou terminais de contentores requerem sis- temas mecânico e eletrônico especializados e adequados a esta exigente área de aplicação. As pontes rolantes desempenham um trabalho simples: elas transportam uma carga de um local específico para outro. A fim de realizar de forma confiável e garantir um nível de precisão suficiente durante a operação, elas dependem de um acionamento que foi idealmente adaptado para esta tarefa. “As pontes rolantes são equipadas com motorredutores com freios integrados. Estes são combinados com inversores de frequência para um perfil de controle de aceleração e velocidade centralizado”, explica João de Souza Moreira, Diretor Geral da Nord Drivesystems Brasil. Uma vez que as pontes rolantes portuárias manuseiam cargas extremamente grandes, seus motorredutores são desenvolvidos para suportar elevadas forças radiais e axiais. Elas também dispo- nibilizam um conjunto de funções especiais: permitem uma partida suave com alto torque de partida, garantem movimentações virtualmente sem choques, facilitam a sincronização de diversos acionamentos, oferecem funções poderosas de elevação, e permi- tem eficiente frenagem regenerativa via rampas parametrizáveis. Depois que um fabricante decide por uma pré-seleção de acio- namentos, nós sugerimos faixas de potência de acordo com as especificações do cliente, refere João de Souza Moreira. Produtos UMC3000: Sensor com superfície em metal para sensoriamento direto O sensor à prova de água cumpre os requisitos IP68/69k O novo UMC3000 eleva o desempenho do sensor ultrassônico em ambientes rigorosos para um nível completamente novo. A caixa sem soldagem, em 100% aço inoxidável e o sistema de cabos com resistência química permitem a monitorização e o controle ultrassônicos em áreas anteriormente consideradas impossíveis de solucionar. Dois conceitos de caixas solucionam uma variedade de aplicações. Um tubo com design sem soldas, próprio para produtos alimen- tares, cumpre as rigorosas normas do setor alimentar e das bebidas, enquanto um modelo roscado, com 30 mm de diâmetro é particularmente adequado para máquinas agrícolas e outras instalações exteriores. A indicação LED para presença de alvo e alimentação é equipamento de série em todos os modelos. Resumo das principais características: Design completamente selado cumpre as normas IP 68/69K; Superfície e cano sensores em aço inoxidável (Grau: 1.4404 (V4A, AISI 316L); Amplitude do sensor totalmente ajustável de 200 a 3000 mm; Modelos de saída analógicos e de parâmetros configuráveis; Cumpre as diretrizes da EHEDG* «Hygienic Design». *EHEDG: European Hygienic Engineering & Design Group (Grupo europeu de engenharia e design higiênicos) • • • • • Portugal Sales Department tel: +349 4 4535020 fax: +349 4 4535180 sov@es.pepperl- fuchs.com Alemanha SCHMITT Irmtraud tel: +49 621 776-1215 fax: +49 621 776-2505 ischmitt@de.pepperl- fuchs.com MA50_Noticias.v4.indd 8 13/6/2011 11:19:38 �2011 :: Mecatrônica Atual //notícias Pontes rolantes em estaleiros, containers e outras instalações portuáriasexigem sistemas de acionamentos mecânico e eletrônico altamente confiáveis. Para os construtores e operadores de pontes rolantes, ob- ter soluções completas de fornecedores especializados é o caminho mais fácil para satisfazer estas exigências. As pontes rolantes são comparáveis com máquinas de série ou máquinas para fins especiais? JSM: Na medida em que se possa fazer essa comparação, existem apenas alguns fabricantes de pontes rolantes que constroem uma ponte rolante gigante ship-to-shore por dia. Logo, a construção de pontes rolantes pode ser comparada a fabricação de máquinas modulares com finalidades especiais - e as nossas soluções de acionamentos são uma ótima cor- respondência para estas aplicações. A NORD é um fornecedor especializado em siste- mas de acionamento para pontes rolantes. Em que consistem estes pacotes completos? JSM: Fornecemos uma tecnologia de acionamento confiável e com eficiente relação custo/benefício para todos os tipos e tamanhos de pontes rolantes e trolleys. A nossa vasta gama de produtos mecânicos, elétricos e eletrônicos nos permite criar soluções de acionamentos a partir de uma única fonte. Os produtos com proteção IP55 e IP66, bem como as versões protegidas contra corrosão e pó com um revestimento especial, garantem uma elevada proteção e um maior tempo de vida útil mesmo sob condições ambientais rigorosas e durante longos períodos de parada, como acon- tece no funcionamento sazonal. Estão disponíveis vários modelos de inversores de frequência com um desempenho de até 160 kW que possibilitam funções como partida suave, frenagem regenerativa, o funcionamento sincronizado e a elevada precisão de posicionamento. Além disso: criamos um novo microsite dedicado a soluções de acionamento para aplicações de pontes rolantes em www.cranes.nord.com. Além dos terminais de containers, quais são as aplica- ções típicas para pontes rolantes equipadas com aciona- mentos NORD? JSM: As pontes rolantes industriais são utilizadas, por exemplo, em fundições, em fábricas de construções em aço, na construção de navios, centrais elétricas e engenharia pesada. Os tipos menores também são utilizados em oficinas. Atulamente, existem aproxi- madamente 700 construtores de máquinas que fabricam pontes rolantes. Desses, cerca de 15 constroem pontes rolantes portuárias gigantes. Entrevista: João de Souza Moreira, da NORD Drivesystems A NORD Drivesystems persegue um objetivo ambicioso: “Gostaríamos de ver, pelo menos, uma ponte rolante em cada um dos principais portos mundiais equipada com as nossas soluções de acionamento”, refere-se João de Souza Moreira (CEO). Pergunta: Quais são os desafios espe- ciais enfrentados na seleção do sistema mecânico e eletrônico dos motores para pontes rolantes instaladas em estaleiros ou terminais de contentores? João de Souza Moreira: Os sistemas de acionamentos utilizados nas pontes rolantes e nos trolleys têm de incluir um design robusto, serem resistentes ao desgaste e possuir carac- terísticas, tais como excelente dinâmica e movi- mentos precisos. Simultaneamente, os usuários procuram também um custo total econômico. MA50_Noticias.v4.indd 9 13/6/2011 11:19:46 10 Mecatrônica Atual :: 2011 //notícias Investimentos no Brasil são prejudicados pelos custos da energia elétrica pode crescer mais e acrescentar R$ 695 bilhões ao PIB até 2020. “Isso representa economia do tamanho da África do Sul e três vezes a do Chile”, informou Garcia. Segundo ele, o custo de energia no Brasil cresceu mais rapidamente do que no resto do mundo e isso trouxe graves consequências à balança comercial. “De exportador de alguns produtos, como material de construção, passamos a ser im- portadores, e hoje acumulamos um déficit de US$ 3 bilhões. Para conviver com uma taxa de câmbio valorizada, precisamos tomar outras providências para reduzir os custos e aumentar a competitividade.” conclui. Os altos custos da energia elétrica no Brasil atrapalham as indústrias de alumínio que reduziram em 10% a capaci- dade produtiva no país nos últimos seis anos. “Fábricas de outros setores de uso intensivo de energia também estão fechando as portas”, afirma o coordenador da Comissão de Energia da Associação Brasileira da Indústria de Alumí- nio (Abal), Eduardo Spalding, que participou do seminário Energia Elétrica: Fator de Competitividade da Indústria, realizado em março pela Confederação Nacional da In- dústria (CNI) em parceria com a Associação dos Grandes Consumidores Industriais de Energia e de Consumidores Livres (Abrace). De acordo com Spalding, os custos da energia pratica- mente dobraram nos últimos seis anos e hoje o Brasil tem a terceira tarifa mais cara do mundo. “Isso inibe investimen- tos e, se nada for feito, nos próximos dez anos haverá um aumento de mais de 20% no custo da energia industrial”, informou. Ele destacou que o custo de produção de uma tonelada de alumínio alcançava US$ 1.069 em 2003, e a conta de energia representava 33% desse total. Em 2008, o custo de produção saltou para US$ 1.991 a tonelada, em que 44% representavam os gastos com energia. “O preço da energia condena de forma inexorável a indústria”, diz Spalding, que também integra o Conselho Temático de Infraestrutura da CNI. Segundo o presidente da Abrace, Paulo Pedrosa, além de contribuir para o fechamento de empresas no país, os elevados custos da energia elétrica comprometem o emprego e a renda dos brasileiros. Também pressionam a inflação e prejudicam as exportações. “Todas essas variá- veis têm uma correlação muito grande com o preço de energia”, completou Pedrosa. Para o presidente, o primeiro passo para a redução da tarifa é retirar a carga tributária e os encargos, que representam mais de 50% dos valores cobrados dos consumidores de energia. O presidente da Abrace acres- centou que os custos dos programas sociais não devem ser repassados às contas de luz, mas absorvidos pelo orçamento da União. “Isso seria benéfico para o próprio governo, que poderia aumentar a arrecadação a partir de um crescimento do Produto Interno Bruto (PIB).” Considerada pela CNI como um dos pilares da competitivida- de, a desoneração tributária e de encargos das tarifas de energia é a principal proposta do estudo Efeitos do Preço da Energia no Desenvolvimento Econômico – Cenários até 2020, feito pela Fundação Getúlio Vargas (FGV) em parceria com a Abrace. De acordo com o coordenador do Projeto Energia Competitiva da FGV, Fernando Garcia, com a desoneração das tarifas, o Brasil Estudo confirma que a desoneração das tarifas melhora a competitividade da indústria e aumenta o ritmo de crescimento da economia MA50_Noticias.v4.indd 10 13/6/2011 11:19:53 112011 :: Mecatrônica Atual //notícias Nova geração de computadores industriais embedded com processadores Intel® Atom™ D525/ D425 e interface de display integrado (230,6 x 133,0 x 44,4 mm), e proporciona grandes recursos de I/O. Possui portas seriais 1 x RS-232, 1 x RS-232/422/485, com controle de auto fluxo, 4 x hi-speed USB 2.0, 2 x Giga-LANs, DIO, line-out e LVDS. E o slot de expansão do módulo de comunicação 1 x Mini PCIe embutido suporta um soquete CF externo e um HDD SATA 2,5”. O ARK-1503 também suporta uma ampla temperatura de operação de -20 ºC a 60 ºC. Design de Interface com Display Integrado: I-Panel Link e Golden Finger O ARK-1503 com interface de enlace I-Panel integra LVDS, USB, sinais de tx/rx, áudio e de corrente CC, através de um conector SCSI DB36, de forma que um único cabo suporta um painel de toque com energia, vídeo, áudio e info de toque. E a opção alternada golden finger , com 164 pinos, transporta tudo incluindo alimentação, vídeo (LVDS HDMI), áudio, USB, COM e sinalização em painel de toque; suporta um monitor de toque ITM atravésde acoplamento direto via golden finger, sem abso- lutamente nenhum cabo, embora o sistema e o monitor possam ser atualizados de forma independente, para maior flexibilidade, melhor estabilidade e fácil instalação. O ARK-1503 estará disponível no final de abril; por favor en- trar em contato com o seu representante de vendas local. Para maiores informações sobre o produto, visite o nosso site na Web: www.advantech.com/applied-computing-systems/embe- dded-computer/default.aspx A Advantech (2395.TW) tem a satisfação de anunciar o sistema ARK-1503, um IPC embutido, compacto, sem ven- tilação forçada, equipado com o processador Intel® Atom™ D525/D425, com suporte DDR3 e interface com display inte- grado. Ele permite uma maior economia de energia, enquanto proporciona alto desempenho e uma grande capacidade de E/S (I/O). Oferece duas opções de conexão do monitor de toque, dependendo da aplicação em particular: I-Panel link ou Golden Finger. Uma tecnologia com design inteiramente novo simplifica as suas integrações de aplicação, através de soluções fáceis – ideais para aplicações no controle de automação de máquinas, em fábricas e quiosques. Equipado com os mais recentes processadores single core (D425) e dual core Intel® Atom™ (D525), com memória DD3 de até 2 GB (D425), e 4 GB (D525). Com controladores de memória e gráficos integrados, estes processadores propor- cionam velocidades de renderização de núcleo de gráficos de 200 a 400 MHz, enquanto mantêm uma excelente eficiência energética. Além de velocidades mais altas e de um menor consumo de energia, o ARK-1503 também apresenta um design low profile MA50_Noticias.v4.indd 11 13/6/2011 11:20:00 12 Mecatrônica Atual :: 2011 //notícias ABB fortalece sua presença junto ao mercado Naval no Brasil A ABB, grupo líder em tecnologias de potência e automação, planeja fortalecer seus negócios na área Naval no Brasil com o objetivo de atender de forma mais eficaz ao crescente mercado da América Latina. A América Latina tornou-se rapidamente um mercado estratégico para a área de negócios Marine (Naval) da ABB. Planos futuros incluem o estabelecimento de uma nova fábrica de unidades de propulsores do tipo Azipod® C - Compacto, um centro de serviços marítimos e um centro especializado em unidades Azipod®, que vão auxiliar a ABB a servir ao rápido crescimento da indústria de construção naval do Brasil, cum- prindo os requisitos de conteúdo local. “As soluções inovadoras e os produtos de qualidade da ABB conquistaram nossa posição de liderança nos segmentos de navio de alto valor agregado, como navios-sonda, plataformas de perfuração semi-submersíveis, navios de apoio offshore e navios-tanque”, disse André Luiz Silva - Gerente da unidade de negócios Marine & Cranes no Brasil. “Nosso portfólio se encaixa bem nos planos e desenvolvimento da indústria naval brasileira, e os investimentos previstos pela ABB demonstram nosso compromisso e confiança no mercado local. Acreditamos que isso irá nos proporcionar um posicionamento preferencial no fornecimento de propulsores para as 28 unidades de navios- sonda da Petrobras”, comenta André. Várias regiões foram avaliadas para sediar a nova fábrica do Azipod®, incluindo Pernambuco, Santos e Rio de Janeiro, mas a decisão final ainda está pendente. A fábrica planejada terá capacidade de produção anual de mais de 30 unidades do Azipod®. O cronograma das obras permitirá a entrega dos propulsores, em tempo hábil, para as unidades de perfuração da Petrobras no Brasil. Um centro de serviços no Brasil também faz parte dos planos para 2014. Terá profissionais dedicados e especializados em serviços para as unidades do Azipod®, além de uma oficina com ferramentas especiais para os serviços de manutenção e reformas. Esse centro de serviços também fornecerá peças sobressalentes ao mercado local. A ABB (www.abb.com) é líder em tecnologias de po- tência e de automação que proporcionam aos seus clientes dos setores industriais e de concessionárias a melhoria de sua performance enquanto reduzem seus impactos ambientais. O grupo ABB opera em cerca de 100 países e emprega em torno de 124.000 funcionários. Para obter mais informações, contate a ABB: Iracema Carvalho - iracema.carvalho@cl-a.com tel.: (11) 3082-3977 – ramal 30 Paulo Pires - paulo.pires@cl-a.com tel.: (11) 3082-3977 – ramal 28 Redução Sistemática de Custo de Energia Como um fornecedor completo, a Endress+Hauser oferece não só um sistema de monitoramento eficiente de energia em conformidade com EMAS, ISO 1400 e EN16001, mas também o respectivo hardware e software e apoio a projetos profissionais. Equipes reúnem know-how muldialmente em áreas como geren- ciamento de energia e dados operacionais, eficiência energética, comunicação e sistemas de barramento, bem como engenharia de automação. A Endress+Hauser possui um dos maiores portfólios de pro- dutos e serviços em tecnologia de medição industrial, mas, seu valor só pode ser acessado por meio da visualização e análise dos dados de energia obtidos. A Endress+Hauser oferece às empresas a possibilidade de implementar um sistema de monitoramento automático de energia que permite uma visão clara do consumo. Assim, o usuário pode: • Monitorar o consumo de energia; • Reduzir custos; • Otimizar a operação da planta. O monitoramento de energia, portanto, constitui o núcleo de um processo de melhoria contínua que, de acordo com em 16001, resulta em um uso mais eficiente da energia. Veja algumas vantagens: • Otimização de picos de carga; • Geração automática de relatórios individuais de energia; • Detecção precoce da deterioração do desempenho; • Análise e controle automático dos principais dados referentes ao consumo de energia; • Controle contínuo do plano anual de energia; • Faturamento de energia por centros de custo; • Geração de previsões de demanda de energia para diferentes zonas de produção; • Melhoria dos processos mensais de análises de comunicações; • Documentação automática das emissões de CO2; • Tendências de desvios (objetivos/comparação real). Um conceito modular A base para a redução de custos de energia é uma medição confiável de energia. Para registros de vapor, ar comprimido, calor, frio, eletricidade, gás e óleo, uma medida muito exata é um pré-requisito. Informativos dos resultados das medições são relacionados aos parâmetros de avaliação, quais sensores e normas de cálculo são utilizados. A escolha incorreta de um instrumento de medição ou a rejeição de uma apropriada compensação de pressão e temperatura, tanto em aplicações de gás como de vapor de água, pode levar a graves falhas de medição. Sistemas abertos e modulares de monitoramento de energia garantem combinações sem problemas de diferentes pontos de medições, eletricidade e gás, registradores de dados, sistemas de energia computadorizados ou de instrumentos de registro. A transmissão de dados é realizada via Ethernet, OPC e sistemas de barramento de campo. MA50_Noticias.v4.indd 12 13/6/2011 11:20:06 132011 :: Mecatrônica Atual instrumentação T Medição de Tensões Mecânicas por Métodos Não Destrutivos Prof.º Auteliano Antunes dos Santos Júnior Este artigo apresenta dois dos principais métodos não destrutivos para medição de tensões, um baseado em acustoelasticidade e o outro em interferometria laser por padrão de speckles (ESPI). É apresentada a teoria envolvida, exemplos de aplicação e os requi- sitos para a aplicação em campo. O tema sob análise representa uma das muitas interfaces nas Engenharias que corroboram a necessidade de conhecimentos multidisciplinares, característica fundamental da Mecatrônica. ensões Mecânicas estão entre as principais causas de falha em componentes de máquinas. São compostas por uma parcela elástica, que vemdos carregamentos que os componentes sofrem, e uma porção residual, pré-existente, que é provocada pelo processo de fabricação, por solicitações prévias e outras causas. A maior parte dos métodos de medição de tensões atuais é destrutiva, isto é, requer que o componente sob inspeção seja inutiliza- do. Medir tensões mantendo o sistema ou componente mecânico em funcionamento implica em um ganho significativo em tempo e recursos. A Mecatrônica “é um campo emergente da Engenharia que integra as áreas de elétrica, mecânica, controle, ciência da computação e tecnologia da informação” (ASME, 2011). Tal integração requer conhecimentos específicos de cada uma dessas áreas e a capacidade de utilizá-los em conjunto para a solução dos problemas usuais de Engenharia. Com o avanço da tecnologia, nem sempre é necessário ou desejável que um especialista em cada saiba mais Andrino, M. H. Aplicação de ondas longitudinais criticamente refra- tadas para a medição de tensões em dutos. Tese de Doutoramento. Universidade Estadual de Campinas. Campinas, 2007. ASME [American Society of Mechani- cal Engineers]. Who owns mechatro- nics? Disponível em: <www.mema- gazine.org/contents/current/fea- tures/whoowns/whoowns.html>. Acessado em 10 de maio de 2011. Gabor, D. A new microscopic prin- ciple. Nature. v.161, (4098), pp.777- 778, 1948. um dos tópicos listados esteja disponível para a análise requerida. De fato, em muitos casos, profissionais com forte embasamento teórico nas diversas áreas que compõem a Mecatrônica podem atuar de forma rápida e eficiente. Talvez o que mais caracterize a formação mecatrônica seja a flexibilidade com que tais engenheiros transitam entre os diversos campos do conhecimento abordados em sua formação, permitindo a criação de soluções inovadoras e multidisciplinares. Uma das áreas de interface do conhe- cimento é a de sensoriamento. Conhecer características do que está sendo medido, ao mesmo tempo em que tem pleno domí- nio sobre a forma de medir, faz com que o Engenheiro desempenhe sua função com eficiência e presteza. Quando tais sensores são empregados para medir uma variável tipicamente mecânica, como a tensão, o processo é enriquecido pela atuação do Engenheiro Mecatrônico, ou mesmo do Engenheiro de Controle e Automação com base Mecânica. MA50_Med_Tensoes.v2.indd 13 13/6/2011 10:22:19 14 Mecatrônica Atual :: 2011 instrumentação F1. Geração de ondas longitudinais criticamente refratadas. Este trabalho tem como objetivo apre- sentar duas novas técnicas de medição de tensões mecânicas, baseadas em acustoelas- ticidade e em interferometria, que requerem conhecimentos avançados, tanto da área de sensoriamento como da área de análise de tensões. É o primeiro texto de um série sob responsabilidade da empresa júnior Meca- tron, do curso de Engenharia de Controle e Automação da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp. Esse curso tem forte base nas Engenharias Mecânica, Elétrica e de Computação, e requer de seus alunos pleno conhecimento dos conceitos neces- sários para abordar os aspectos científicos tratados nesse artigo. Tensões mecânicas são basicamente de dois tipos: elásticas ou residuais. A primeira se refere à tensão que está sendo aplicada por uma solicitação externa (força, temperatura, etc.). As tensões elásticas desaparecem quando a solicitação que a causou é retirada. De forma diferente, as tensões residuais continuam no corpo e independem de que, haja atuação de qualquer fonte externa. As tensões residuais podem ser de três tipos, que dependem da ampliação com a qual se deseja realizar a análise: macroten- sões, microtensões tipo II e microtensões tipo III. Todas podem estar presentes em um componente a qualquer momento. As macrotensões residuais, que são designadas como tensões residuais do tipo I, variam dentro do corpo de um componente em uma escala maior que o tamanho de grão. As microtensões residuais resultam das diferenças dentro da microestrutura de um material. As tensões residuais do tipo II operam no nível do tamanho de grão. O tipo III é atua em nível atômico. A importância do conhecimento dos tipos de tensão está ligada ao processo de medição. O que realmente é medido pelos métodos atualmente empregados, sejam destrutivo, ou não, é a tensão de tipo I, ou seja, a macro tensão. Isso porque os métodos atuais não têm resolução para medir em níveis menores, mas principalmente porque a falha, tal como é estudada hoje, está relacionada a essas tensões, e não às microtensões. A forma de relacionar as tensões com as cargas aplicadas é chamada de critério de falha, e descreve como o componente se comporta quando solicitado com aquele nível de tensão. Todos os critérios atuais relacionam a tensão tipo I com a capacidade de resistir a aplicação de tensões, obtida em ensaios normalizados e denominada resistência mecânica. As tensões elásticas (aplicadas) nor- malmente podem ser calculadas através de métodos numéricos e analíticos. No entanto, dependendo do estado interno das tensões, os resultados podem ser muito diferentes. Assim, é importante também conhecer as tensões residuais, como forma de garantir que as tensões totais estão abaixo do limite definido pela resistência mecânica. Os métodos capazes de medir tensões residuais mais utilizados são destrutivos. Baseiam-se na medição da relaxação da tensão atuante, através de um corte, um furo ou outra forma de remoção de material. Com os dados da deformação final, constrói-se o estado de deformações inicial e calcula-se a tensão que atuava naquele ponto. Mesmo que seja pouco destrutivo, com esses méto- dos só será possível medir a tensão que foi aliviada. Assim, as tensões deixam de estar presentes e não há mais razão para obtê-las, a não ser se estas forem usadas em controle estatístico de qualidade. Após a medição, os componentes não podem mais ser utilizados para as mesmas funções, ou o risco de falha aumenta. A forma de medir a deformação após o alívio pode ser por roseta óptica, extensômetro ou outras. Fibras óticas, raios X e difração de nêutrons têm despontado como alternati- vas para emprego na medição de tensões, os dois últimos com capacidade de medir tensões residuais. Cada um destes possui características que dificultam sua aplicação em campo, embora seus resultados em labo- ratório sejam adequados. Questões técnicas, como a necessidade de um reator nuclear para a difração de nêutrons, dificultam a disseminação das técnicas. Acustoelasticidade (Ondas Lcr) O termo Acustoelasticidade vem da junção de dois ramos da mecânica: a acús- tica e a elasticidade. Refere-se à propagação de ondas (acústica) e sua relação com as propriedades dos materiais (elasticidade). Segundo a teoria acustoelástica, a velocidade de propagação de ondas ultrassônicas tem uma relação direta com a tensão existente no material sob inspeção. O desenvolvimento de sistemas de aqui- sição de dados de elevada taxa de aquisição, aliado a uma sensível redução nos custos, simplicidade de aplicação e resolução ade- quada, fazem do método ultrassônico a principal alternativa atual para a medição de tensões em componentes mecânicos em serviço. Várias técnicas podem ser emprega- das para o mesmo fim, destacando-se a da birrefringência e a de ondas longitudinais criticamente refratadas (Lcr), cada uma necessitando de sensores especiais dedica- dos e com vantagens para determinadas aplicações. As ondas longitudinais têm a mais alta sensibilidade à tensão entre as ondas ultrassônicas e uma forma particu- lar dessa, as ondas Lcr, trafega próxima à superfície, onde as tensões que levam às falhas normalmente se concentram, sendo por isso empregada neste trabalho. Ondas Lcr são ondasde volume, que se propagam paralelamente à superfície do material. São ondas longitudinais (frontais), ou seja, sua oscilação é na mesma direção da propagação. A figura 1 mostra tais ondas e o processo de geração. As ondas longitudinais incidindo próximo ao primeiro ângulo crítico (θcr) na interface entre dois meios geram uma componente longitudinal paralela à superfície. A geração pode ser feita com um transdutor de ondas longitudinais e uma cunha para que MA50_Med_Tensoes.v2.indd 14 13/6/2011 10:22:27 152011 :: Mecatrônica Atual instrumentação tal onda atinja a interface no ângulo desejado. Essa cunha deve ser de um material de baixa impedância acústica quando acoplado ao aço, como o acrílico. A recepção, a uma distância adequada, pode ser feita como o mesmo tipo de aparato. A determinação da velocidade é realizada através da divisão da distância entre o emissor e o receptor pelo tempo de percurso no material sob análise, lido pelo sistema de aquisição de dados. A equação que relaciona a velocidade ou o tempo de percurso para distâncias iguais é dada por: Nessa equação, E é o módulo de elas- ticidade, L11 é uma propriedade chamada constante acustoelástica, Vij é a velocidade de propagação, t0 é o tempo de percurso de referência (sem tensão), dt é a diferença de tempo, dV é a diferença de velocidades e dσ é a diferença de tensão que se deseja medir. Os índices i e j referem-se às dire- ções de propagação e oscilação da onda, respectivamente. Assim, i = j = 1 significa uma onda longitudinal. Interferometria Eletrônica por Padrão de Speckles - ESPI A origem da interferometria eletrônica por padrões de speckles está na holografia, cuja técnica permite que uma onda seja gravada e reconstruída posteriormente, mantendo exatamente as mesmas características da onda original. Em outras palavras, uma imagem tridimensional reproduz exatamente o objeto gravado anteriormente. Embora o princípio da holografia tenha sido proposto em 1948 (Gabor), a técnica se tornou prática somente com o advento do laser. A interferometria holográfica remete-se aos anos 60 e é em- basada no princípio da reconstrução de ondas. A interferometria de speckles deriva desse princípio. O efeito speckle é uma interferência aleatória característica da reflexão de um feixe de luz coerente ao incidir em uma superfície opticamente rugosa, quando sua variação de altura é da ordem ou maior que o comprimento de onda da luz do feixe de iluminação. A característica do laser como feixe coerente e monocromático permitiu utilizar o efeito speckle como princípio de aplicação do método em problemas prá- ticos através da formação de padrões de franjas. Através destas, é possível calcular os deslocamentos e as tensões em superfí- cies submetidas a cargas. Esses padrões de franjas foram inicialmente gerados através do processamento fotográfico das imagens, mas hoje, com o processamento digital de imagens, processadores de alta velocidade e alta capacidade de armazenamento de dados, é possível obter os padrões de franjas através do processamento por vídeo dos perfis de superfícies iluminadas por feixes de laser, gerando franjas de correlação por padrões de speckles. Por isso o método é conhecido como Electronic Speckle Pattern Interferometry (ESPI). Aplicações das Técnicas de Medição por Acustoelasticidade A figura 2 ilustra a aplicação da técnica de ondas Lcr para a medição de tensões em rodas ferroviárias. O que está sendo mostrado é a variação da tensão em oito pontos ao longo do aro de uma roda específica. O esperado é que os valores sejam iguais ou próximos. No entanto, as pesquisas feitas revelaram que tal variação é perfeitamente possível. Como pode ser visto, as tensões estão entre 276 e 294 MPa. Dado que cada ponto foi medido três vezes, a dispersão pode ser calculada e está indicada nas barras que mostram um desvio padrão do valor médio. O resultado apresentado refere-se a apenas uma roda, mas a mesma variação e dispersão foram encontradas em outras oito rodas do mesmo tipo medidas durante a pesquisa. Isso permitiu a criação de um novo dispositivo de medição de tensões, patenteado pela Unicamp, que está sendo desenvolvido para aplicação em campo. Tal sistema levará, à redução sensível do risco de acidentes e perdas econômicas e de vidas, uma vez que permitirá que a inspeção seja feita e ações preventivas sejam adotadas. A figura 3 exibe a comparação entre as tensões medidas por extensômetros (teórica) e as tensões medidas utilizando ondas Lcr F2. Resultado da Medição de Tensões em oito pontos no mesmo raio em uma roda ferroviária. F3. Resultado da Medição de Tensões Duto Petrolífero. dσ = E(dVij/Vij) = E dt L11 L11* t0 MA50_Med_Tensoes.v2.indd 15 13/6/2011 10:22:41 16 Mecatrônica Atual :: 2011 instrumentação em dutos petrolíferos. Conforme pode ser visto, o coeficiente da curva de ajuste, cujo valor esperado é 1 (um), tem valor 1,03, o que comprova a validade do método. O ajuste medido pelo coeficiente de correlação (0,999) é uma confirmação da estabilidade do método em diversos níveis de tensão. O experimento foi realizado em laboratório com um duto especialmente montado, com os parâmetros de influência controlados. Aplicações das Técnicas de Medição por ESPI A figura 4 mostra o resultado para a medição de tensão equivalente (Von Mises) em um componente mecânico utilizando ESPI. Em (a) é vista a tensão medida e em (b) é mostrada a simulação numérica feita. Conforme pode ser observada, os resultados se assemelham em termos da distribuição das tensões. Embora seja difícil visualizar na figura à esquerda, devido a baixa resolução das imagens geradas com o programa de aquisição do ESPI, os resultados numéricos também se assemelham significativamente aos medidos, levando a uma diferença em torno de 10% para todas as medições. Uma segunda aplicação do método foi testada em uma placa com orifício. A figura 5 expõe os resultados. Também neste caso, em (a) é mostrada a tensão medida e em F4. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo. F5. Resultado da Medição de Tensões em Chapa com Rasgo. a) b) a) b) MA50_Med_Tensoes.v2.indd 16 13/6/2011 10:22:51 172011 :: Mecatrônica Atual instrumentação (b) é exibida a simulação numérica feita. Agora, a diferença entre o medido por ESPI e o calculado utilizando elementos finitos foi ainda menor, da ordem de 5%. A técnica ESPI também foi usada para a medição de tensões em eixos e bielas au- tomotivas. A Unicamp possui um convênio com a empresa Thyssenkrupp Metalúrgica Campo Limpo, que permite o uso de seu sistema ESPI para pesquisas sobre o assunto. Os resultados preliminares demonstram uma correlação adequada entre os resulta- dos medidos e esperados, mas ainda há a necessidade de aprimorar os controles sobre as variáveis de influência para minimizar a dispersão encontrada. Estratégias de Controle Aplicadas Com ambas as técnicas foi necessário adotar estratégias de minimização do erro empregando tanto técnicas de filtragem quanto de controle das variáveis de influên- cia. Em especial com acustoelasticidade, foi desenvolvido um programa computacional específico para o tratamento e aquisição dos sinais. O programa L-stress v. 2.0 (Andrino, 2007) foi desenvolvido para esta finalidade. Ele controla totalmente o processo de aquisição, que inclui o uso de um dispositivo de acionamento pneumático para a aplicação dos sensores sobre a peça e o tratamento posterior dos sinais adquiridos, utilizando correlação cruzada e transformada de Hilbert. A figura 6 apresenta uma das telas do programa. Para a técnica ESPI, o programa que faz a aquisição eo tratamento é parte de um pacote comercial fornecido com o sistema Dantec 3D ESPI – Q300, usado no trabalho. Conclusões A medição de tensões com técnicas não destrutivas pode ser feita utilizando acustoe- lasticidade ou interferometria eletrônica por padrão de speckles. Os resultados apresentados mostram que as técnicas possuem grande potencial de aplicação. O seu emprego em campo certamente permitirá uma sensível redução nos custos de inspeção, uma vez que não irá requerer a destruição ou inutilização dos componentes testados. O sensoriamento é uma das atividades ligadas à Mecatrônica, já que requer conhe- cimentos de áreas distintas, envolvidas na formação desse Engenheiro, como o uso de ferramentas computacionais, o emprego de conhecimentos na área de mecânica, a utilização de sensores eletrônicos e outros. Só pode ser realizado por profissionais que tenham uma formação ampla, ou terá que envolver vários profissionais de áreas diferentes. F6. Tela de aquisição do programa L-stress v. 2.0. MA *Auteliano Antunes dos Santos Júnior é Pro- fessor e Coordenador do Curso de Engenharia de Controle e Automação na Unicamp e possui pós-doutorado na Texas A&M University (EUA). Tem desenvolvido projetos tecnológicos para empresas como: Vale do Rio Doce, Petrobrás, Thyssenkrup Metalúrgica Campo Limpo e outras. MA50_Med_Tensoes.v2.indd 17 13/6/2011 10:23:02 18 Mecatrônica Atual :: Março/Abril 2011 instrumentação O que é a Tecnologia de Tempo Real? Vários testes, controles e aplicações de projeto exigem desempenho em tempo real. Este tutorial da National Instruments analisa os conceitos básicos de sistemas de tempo real. Introdução aos Sistemas de Tempo Real Os sistemas operacionais de tempo real foram projetados para resposta a eventos e sistemas de controle de malha fechada. Aplicações de resposta a eventos, como um sistema de airbag automotivo, necessitam de uma resposta a um estímulo em um determinado espaço de tempo. Sistemas de controle de malha fechada, como um sistema de controle de velocidade automo- tiva, processam continuamente o feedback do sistema para ajustar uma saída. Ambos os sistemas exigem a realização de uma operação dentro de um tempo determinado. Esse tipo de desempenho é chamado de determinístico. Sistemas de tempo real podem ser classificados como “soft” ou “hard”. Para sistemas de tempo real do tipo soft, a utilidade de um sistema geralmente é inversamente proporcional ao tempo de resposta após um determinado prazo ter sido perdido. Por exemplo, quando pressionamos um botão do telefone para atender uma chamada, a conexão deve ser estabelecida logo após o botão ter sido apertado. Contudo, o prazo não é tão crítico e pequenos atrasos podem também devem responder a interrupções de periféricos como mouse e teclado. O usuário tem controle limitado sobre o modo como essas tarefas são manipuladas pelo processador. Como resultado, tarefas de alta prioridade podem ser interrompidas para que tarefas de baixa prioridade sejam executadas, fazendo com que seja impossível garantir um tempo de resposta constante para suas aplicações críticas. Em contraste, sistemas operacionais de tempo real proporcionam a capacidade de priorizar tarefas, para que as tarefas mais críticas possam sempre ter controle do processador quando necessário. Essa pro- priedade possibilita a criação de aplicações com resultados que podem ser previstos. Sistemas operacionais de tempo real são necessários quando o processador está envolvido em operações como controle de malha fechada e tomada de decisão em tempo crítico. Essas aplicações requerem que decisões temporizadas sejam feitas ba- seadas em dados recebidos. Por exemplo, um equipamento de entradas e saídas amostra um sinal de entrada e o envia diretamente para a memória. Então, o processador deve analisar o sinal e enviar a resposta adequada ao equipamento de entradas e saídas. Nessa aplicação, o software deve estar envolvido na malha; portanto, você precisa de um sistema operacional de tempo real para garantir res- posta dentro de um espaço de tempo fixo. Além disso, aplicações que necessitam de tempo de execução estendido ou operações autônomas são geralmente implementadas com sistemas operacionais de tempo real. ser tolerados. Sistemas de tempo real do tipo “hard” são aqueles em que a utilidade do sistema torna-se zero em caso de perda do prazo. Uma unidade de controle de moto- res automotivos (ECU - automotive engine control unit) deve processar sinais de entrada e calcular a temporização da faísca da vela dentro de um prazo. Se houver perda desse prazo, o motor não irá operar corretamente. A utilidade de uma tarefa após a perda de prazo depende se o sistema de tempo real é do tipo “soft” ou do tipo “hard”, como mostrado na figura 1. Sistemas operacionais como o Microsoft Windows e o MAC OS fornecem uma excelente plataforma para desenvolvimento e execução de aplicações não críticas de medição e controle. Contudo, por serem sistemas operacionais projetados para um propósito geral, eles não são ideais para executar aplicações que necessitem de um desempenho determinístico ou de um maior tempo sem falhas. Sistemas operacionais de propósito geral são otimizados para executar uma variedade de aplicações simultaneamente, assegurando que todas as aplicações recebam um tempo de processamento. Esses sistemas operacionais MA50_Tecnologia.indd 18 13/6/2011 10:16:46 19Março/Abril 2011 :: Mecatrônica Atual instrumentação F1. Diferença entre tecnologia de tempo real Hard e Soft. F2. Um Exemplo de Diagrama de Jitter. Desempenho em Tempo Real O equívoco mais comum associado ao desempenho em tempo real é dizer que ele aumenta a velocidade de execução do progra- ma. Apesar de ser verdade em alguns casos, a aplicação é melhorada proporcionando temporização precisa e previsível. Com essas melhorias, você pode determinar o tempo exato quando certo evento ocorrerá. Controle em Tempo Real Com controle em tempo real, é possível monitorar e simular continuamente um sistema físico. Aplicações de controle em tempo real executam repetidamente uma tarefa definida pelo usuário com um intervalo de tempo específico entre cada execução. A maioria dos sistemas de controle em tempo real monitora um sistema físico, comparam o estado atual com o estado desejado e então simulam o sistema físico baseando-se nessa comparação. O tempo que leva para que essa malha execute é considerado o tempo de ciclo da malha. O tempo de ciclo da malha de controle varia, baseado na complexidade do sistema. O determinismo mede a consistência do intervalo de tempo especificado entre os eventos. Muitos algoritmos de controle, como o PID, requerem um comportamento muito determinístico. Por exemplo, um elevador move-se gradualmente para o andar correto por causa do comportamento determinístico da malha de controle. Sem o determinismo, o evelador chega ao andar correto, porém sem estabilidade. Em todos os sistemas de tempo real há uma quantidade de erro chamada jitter. O jitter é outra maneira de medir o determi- nismo de um sistema de tempo real. Você pode calculá-lo como a diferença máxima entre qualquer atraso individual de tempo e o atraso de tempo desejado em um sistema, veja na figura 2. Resposta a eventos em Tempo Real Com resposta a eventos em tempo real, é possível responder a um simples evento dentro de um dado espaço de tempo. O sistema de tempo real garante algum tempo máximo de resposta a um evento único. O evento pode ser tanto periódico quanto aleatório. Um exemplo de uma aplicação de resposta a um evento em tempo real é um sistema de monitoração de segurança. Se uma planta entra em um estadode perigo, o sistema de tempo real deve responder a este evento dentro de um espaço de tempo garantido. A latência é usada para descrever o tempo que leva para se responder a um evento. É similar ao determinismo em aplicações de controle em tempo real. Com resposta a eventos em tempo real, é garantido o pior caso de latência. Tecnologia de Tempo Real da National Instruments Os módulos LabVIEW Real-Time e LabWindows™/CVI Real-Time são usados para se alcançar execução determinística confiável em hardware dedicado. Caso haja necessidade de um determinismo maior, o módulo LabVIEW FPGA, combinado MA F3. A Tecnologia de Tempo Real da National Instruments. com um hardware que inclua tecnologia de entradas e saídas reconfiguráveis (RIO – Reconfigurable I/O) oferece resposta de har- dware em nanossegundos. Use o conjunto de software da National Instruments para: Desenvolver rapidamente aplicações determinísticas com programação gráfica ou ANSI C; Criar facilmente controles distribuídos e sistemas de monitoração; Eliminar o tempo gasto, integrando diversas entradas e saídas. A National Instruments oferece uma variedade de hardwares de tempo real que contém um processador embarcado, execu- tando um sistema operacional de tempo real para máxima confiabilidade e desempenho determinístico. É possível integrar uma vasta gama de entradas e saídas com hardware mo- dular que possa ser expandido para atender a um grande número de canais para aquisição de dados e controle, condicionamento de sinais industriais e isolação segura. • • • MA50_Tecnologia.indd 19 13/6/2011 10:16:54 20 Mecatrônica Atual :: 2011 instrumentação Medição de Vazão: a 3ª Grandeza Mais Medida nos Processos Industriais A Apresentação de alguns as- pectos mercadológicos atuais sobre a medição da vazão dos fluídos na Automação e Controle dos Processos Industriais saiba mais Manuais de Operação e Treinamento dos transmissores de pressão Smar: LD301, LD302, LD303 e LD400 Apresentações Transmissores de Pressão. César Cassiolato, Evaristo O. Alves, 2001-2011. Medição de Vazão Mecatrônica Atual 26 Artigos técnicos – César Cassiolato www.smar.com/brasil2/ artigostecnicos/ Site do fabricante: www.smar.com.br vazão é a terceira grandeza mais medida nos processos industriais. As aplicações são amplas, desde aplicações simples como a medição de vazão de água em estações de tratamento e residências, até medição de gases industriais e combustíveis, passando por medições mais complexas. A escolha correta de um determinado instrumento para medição de vazão depende de vários fatores. Dentre estes, pode-se destacar: exatidão desejada para a medição; tipo de fluido: líquido ou gás, limpo ou sujo, número de fases; condutividade elétrica, transparência; condições termodinâmicas: por exem- plo, níveis de pressão e temperatura nos quais o medidor deve atuar; espaço físico disponível; custo, etc. Atualmente os medidores de fluidos (líquidos, gases e vapores) são de grande importância em um processo, pois são usados • • • • • • para determinar as quantidades de produtos vendidos, comprados e transferidos entre fabricantes, transportadores e consumidores finais. Veja a figura 1. A medição de vazão de fluidos sempre esteve presente em nosso dia a dia.Por exemplo, o hidrômetro de uma residência, o marcador de uma bomba de combustível nos veículos, etc. Na História, grandes nomes marcaram suas contribuições. Em 1502 Leonardo da Vinci observou que a quantidade de água por unidade de tempo que escoava em um rio era a mesma em qualquer parte, independente da largura, profundidade, inclinação e ou- tros. Mas o desenvolvimento de dispositivos práticos só foi possível com o surgimento da era industrial e o trabalho de pesquisadores como Bernoulli, Pitot e outros. Vejamos, inicialmente, alguns concei- tos para entendermos melhor a medição de vazão. Engº César Cassiolato cesarcass@smar.com.br Engº Evaristo O. Alves evaristo@smar.com.br MA50_Med_Vazao_v3.indd 20 13/6/2011 12:54:52 212011 :: Mecatrônica Atual instrumentação Como podemos definir vazão? Vazão pode ser definida como sendo a quantidade volumétrica ou mássica de um fluido que escoa através de uma seção de uma tubulação ou canal por unidade de tempo. Vazão Volumétrica É definida como sendo a quantidade em volume que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades volumétricas mais comuns são: m3/s, m3/h, l/h, l/min, GPM (galões por minuto), Nm3/h (normal metro cúbico por hora), SCFH (normal pé cúbico por hora), entre outras. onde: V = volume; t = tempo; Q = vazão volumétrica. Vazão mássica É definida como sendo a quantidade em massa de um fluido que escoa através de certa secção em um intervalo de tempo considerado. As unidades de vazão mássica mais utilizadas são: kg/s, kg/h, t/h, lb/h. onde: m = massa; t = tempo; Qm = vazão mássica. Conceitos físicos para medição de vazão Para medição de vazão se faz necessário rever alguns conceitos relativos a fluidos, pois os mesmos influenciam na vazão de modo geral. A seguir, os principais deles: Calor Específico Define-se calor específico como o quo- ciente da quantidade infinitesimal de calor fornecido a uma unidade de massa de uma substância pela variação infinitesimal de tem- peratura resultante deste aquecimento. Na prática, temos: A quantidade de calor necessária para mudar a temperatura de 1 grama de uma substância em 1ºC. Viscosidade É definida como sendo a resistência ao escoamento de um fluido em um duto qualquer. Esta resistência provocará uma perda de carga adicional que deverá ser considerada na medição de vazão. Número de Reynolds Número adimensional utilizado para determinar se o escoamento se processa em regime laminar ou turbulento. Sua de- terminação é importante como parâmetro modificador do coeficiente de descarga. onde: v = velocidade (m/s); D = diâmetro do duto (m); υ = viscosidade cinemática (m2/s). Observações: Na prática, se Re > 2.320, o fluxo é turbulento, caso contrário é sempre laminar. Nas medições de vazão na indústria, o regime de escoamento é na maioria dos casos turbulento com Re > 5.000. Distribuição de Velocidade em um Duto Em regime de escoamento no interior de um duto, a velocidade não será a mes- ma em todos os pontos. Será máxima no ponto central do duto e mínima na parede do duto. Regime Laminar É caracterizado por um perfil de velo- cidade mais acentuado, onde as diferenças de velocidades são maiores. Observe a figura 2. F2. Perfil de Velocidades em regime laminar. F1. Variáveis de Processo. Q = V t Qm = m t Re = vD υ MA50_Med_Vazao_v3.indd 21 13/6/2011 12:55:00 22 Mecatrônica Atual :: 2011 instrumentação Regime Turbulento É caracterizado por um perfil de velo- cidade mais uniforme que o perfil laminar. Suas diferenças de velocidade são menores. Atente para a figura 3. Tipos dos Medidores de Vazão Resumidamente, podemos classificar os medidores de vazão, segundo a tabela 1. F3. Perfil de Velocidade em regime turbulento. T2. Comparação entre vários medidores de fluidos. T1. Classificação dos medidores de vazão. Equações para o Cálculo da Vazão As equações para o cálculo da vazão podem ser obtidas genericamente para os três tipos de medidores apresentados. Aplica-se a Equação da Conservação da Massa, bem como a Equação da Conservação da Energia, sendo esta última na sua forma simplificada, que é a Equação de Bernoulli. Assim para o escoamento através de uma redução de área, considerando-o ideal e tomando uma linha de corrente entre ospontos 1 e 2, conforme a figura 4. A equação de Bernoulli aplicada ao escomento ideal, entre os pontos 1 e 2 da figura, resulta na equação seguinte: onde o primeiro termo representa a energia cinética, o segundo a energia de pressão, proveniente do trabalho de escoa- mento, enquanto o terceiro termo representa a energia potencial. Idênticas parcelas existem do lado direito, para o ponto 2. Esta igualdade significa que a soma das três parcelas é uma constante ao longo de uma linha de corrente, não ha- vendo perdas por atrito. Para o escoamento na posição horizontal, não há variação de energia potencial, sendo z1 = z2. Usando a equação da conservação da massa entre as seções 1 e 2, para o escoa- mento incompressível, tem-se que: sendo A a área da seção transversal e β a razão entre os diâmetros do medidor e da tubulação, β = D2/D1 (ou d/D, conforme a notação), pode-se isolar uma das veloci- dades na equação de Bernoulli, obtendo-se a equação seguinte: V1 + P1 + gz1 = v2 + P2 + gz2 2 ρ 2 ρ V1 A1 = V2 A2 V2 = 2 P1 – P2 1 – A2 2 -1 ρ A2 Tipos de medidores 1 Medidores indiretos utilizando fenômenos intimamente relacionados à quantidade de fluído passante 2 Medidores diretos de volume do fluido passante 3 Medidores especiais Características I Perda de carga variável (área constante) II Área variável (perda de carga constante) I Deslocamento positivo do fluído II Velocidade pelo impacto do fluído Eletromagnetismo Vórtex Ultrassônico Calhas Parshall Coriolis Exemplos Tubo Pilot; Tubo de Venturi; Annubar; Tubo de Dali; Placa de orifício Rotâmentro Disco Nutante; Pistão Flutuante; Rodas ovais; Roots Tipo Hélice; Tipo Turbina MA50_Med_Vazao_v3.indd 22 13/6/2011 12:55:08 232011 :: Mecatrônica Atual instrumentação A vazão pode ser então obtida, multi- plicando-se esta velocidade pela respectiva área, equação. A vazão no caso é uma vazão ideal, pois foi obtida através da equação de Bernoulli, para o escoamento ideal. Tomando-se o caso mais extremo, em que o ponto 2 está situado sobre a vena contracta, pode-se definir um coeficiente de contração da veia principal, que é a razão entre a área da vena contracta A2, e a área de passagem do medidor, Am. Assim: A vazão real pode ser obtida multipli- cando-se a vazão ideal por um coeficiente de correção Cv. Este coeficiente inclui as correções relativas à perda de energia entre os pontos 1 e 2, entre os quais se obtém o diferencial de pressão. Parte deste diferencial é decorrente da aceleração do escoamento e parte provém da perda de carga. Esta última age sempre no sentido de aumentar o diferencial, razão pela qual o valor de Cv é sempre inferior à unidade. Assim, tendo em conta estas correções e a área do medidor Am, a equação para a vazão é dada por: O coeficiente Cc difere da unidade apenas na placa de orifício, quando as tomadas de pressão não são as de canto (corner taps). No caso deste tipo de tomada a vena contracta existe, mas a pressão está sendo lida junto à placa, de forma que a área A2 pode ser considerada como a área do orifício Am. Em função da dificuldade de se determinar todos os coeficientes da equação, prefere-se ignorar o próprio Cc e introduzir os coeficientes C e K, de modo que esta equação assuma as seguintes formas: Medidores de Diferencial de Pressão O princípio de funcionamento baseia- se no uso de uma mudança de área de F4. Escoamento com estrangulamento. F5. Tipos de medidores de vazão mais utilizados. escoamento, através de uma redução de diâmetro ou de um obstáculo, ou ainda através de uma mudança na direção do escoamento. Estas mudanças de área ou de direção provocam uma aceleração local do escoamento, alterando a velocidade e, em conseqüência, a pressão local. A variação de pressão é proporcional ao quadrado da vazão. São medidores já bastante conhecidos, normalizados e de baixo custo. Estima-se que abranjam 50% de utilização na medição de vazão de líquidos. São compostos de um elemento primário e um elemento secundário. O elemento primário está associado à própria tubulação, interferindo com o escoamento e fornecendo o diferencial de pressão. O elemento secundário é o responsável pela leitura deste diferencial e pode ser um simples manômetro de coluna líquida, em suas diferentes versões, ou até mesmo um transdutor mais complexo, com aquisição e tratamento eletrônico do valor de pressão lido. Tecnologias para medição de vazão no mercado Existem inúmeras tecnologias para medi- ção de vazão no mercado, mas sem dúvida, o “medidor com placa de orifício” ainda é o mais usado pelo seu baixo custo associado ao grande conhecimento acumulado de décadas de aplicação. Isso significa, entre outras coisas, que todo profissional de automação ligado ao Controle de Processos pode eventualmente se deparar com um medidor desse tipo. É então conveniente conhecer seus princípios básicos de funcionamento. Além disso, ao longo de várias décadas o medidor com placa de orifício vem sendo aperfeiçoado para melhorar seu range, precisão e robustez. Diversos trabalhos práticos e acadêmicos estão disponíveis para auxiliar os profissionais que quiserem aplicar esse tipo de medidor. Veja a figura 5 e a tabela 2 onde se tem a comparação entre diferentes tipos de medidores. Transmissor de Pressão Diferencial LD400 – Princípio de Funcionamento A Série LD400 de Transmissores Smar é baseada em sensores capacitivos, onde a pressão aplicada a diafragmas sensores faz com que se tenha uma variação da capacitância entre os mesmos e um diafragma central. Esta variação de capacitância é usada para variar a frequência de um oscilador que é Q1 = V2 A2 C1 = A2 Am Q1 = Cv Cc Am 1 - Cc 2 β4 Qr = CQ1 = C Am 1 - β4 = KAm MA50_Med_Vazao_v3.indd 23 13/6/2011 12:55:14 24 Mecatrônica Atual :: 2011 instrumentação medida diretamente pela CPU e convertida em Pressão. Não existe conversão A/D o que contribui na exatidão e eliminação de drifts embutidos nas conversões analógicas/digi- tais. A Smar possui a leitura digital desde a década de 80. Os sensores capacitivos são sensores muito confiáveis, com respostas lineares e praticamente insensíveis a variações de temperatura, sendo indicados em instrumen- tação e controle de processos, já que possuem excelentes performance em temperatura e pressão estática. Na figura 6, temos o diagrama funcional do transmissor de pressão diferencial. LD400 – Características e Benefícios A linha LD400 tem 2 Classes de exa- tidão: Modelo Standard: Exatidão de 0,06%; Modelo Alta Performance: Exatidão de 0,045%; Ideal para aplicações em medição de vazão; Minimiza o Erro Total Provável e consequentemente a variabilidade do processo; Ideal para aplicações em sistemas de segurança SIL2 e SIL3; Por sua resposta linear, permite alta rangeabilidade com exatidão; Rangeabilidade de 200:1; Tempo de resposta de 35 ms (o transmis- sore digital mais rápidos do mercado); Garantia de estabilidade de ± 0,2% do URL por 12 anos (modelo alta perfor- mance); Supressor de transiente e anti-surge embutido; Totalização bidirecional com persis- tência; Alimentação sem polaridade (12 a 50 Vcc) – previne erros de conexão e curto-circuito; Display multifuncional; CPU de 16 bits, garantindo alta per- formance; Coprocessador matemático de alta performance, o que garante alto de- sempenho do transmissor; Carcaça com as entradas das conexões elétricas na parte inferior e borneira resinada – protege contra corrosão e baixa isolação; •• • • • • • • • • • • • • • • Lacre de carcaça para transferência de custódia e fiscal; Ajuste local via sensor HALL; Árvore de ajuste local simplificada; Jumper de proteção de escrita; Possibilidade de atualização de firmware via memória flash; Limite de pressão de ruptura de 10000 psi; Diagnósticos avançados: indicação de sensor em curto e aberto, falha do sensor em qualquer câmara, sensor desconectado, sobrepressão além do limite de aquisição, indicação de alguns diagnósticos no display, máxima e mínima temperatura, desvio de zero etc. Os transmissores de pressão micropro- cessados possuem a grande vantagem de permitirem uma melhor interação com o usuário, com interfaces amigáveis. Além disso, possuem características de auto-diagnose que facilitam a identificação de problemas. Com o advento das redes fieldbuses, pode- se agora extrair ao máximo os benefícios da tecnologia digital. Estes transmissores possuem melhor exatidão, uma estabilidade eletrônica superior aos modelos analógicos, além de facilitarem ajustes e calibrações. A tecnologia digital também permite que poderosos algoritmos possam ser implemen- tados a favor da melhoria de performance e exatidão da medição e a monitoração online da vida do equipamento. Como especificar Transmissores de Pressão? Especificações incompletas ou mesmo com dados inconsistentes são bastante comuns na documentação para compra de transmissores de pressão. À primeira vista, parecem ítens simples de projeto, porém são muitos os detalhes que, se não corretamente especificados, poderão gerar um prejuízo na hora da montagem ou mesmo durante a operação, podendo este ser maior que os valores dos equipamentos envolvidos. Este tópico procura esclarecer algumas questões fundamentais no processo de espe- cificação de transmissores de pressão. Vale lembrar que é importante ter os seguintes conhecimentos: princípios físicos da medição de pres- são; tipos de pressão que podem ser me- didas; sensores e seu funcionamento; • • • • • • • • • • instrumentação industrial; instalação e cuidados na operação e manutenção; principais aplicações. O que se pretende medir? Em geral mede-se: Pressão manométrica; Pressão absoluta; Pressão diferencial; Outras grandezas inferidas a partir de medições de pressão (vazão, nível, volume, força, densidade, etc). Vale ressaltar que as medições de pressões abaixo da atmosférica não necessariamente requerem transmissores de pressão absoluta. Os transmissores de pressão absoluta são recomendados apenas quando se quer evi- tar as influências das variações da pressão atmosférica. Essa influência só será crítica quando se mede pressões muito próximas (acima ou abaixo) da pressão atmosférica. Nos demais casos pode-se usar sem problemas transmissores de pressão manométrica. Para que medir pressão? Em geral mede-se pressão para: Controle ou monitoração de pro- cessos; Proteção (segurança); Controle de qualidade; Transações comerciais de fluidos (transferências de custódia, medição fiscal); Estudos e pesquisas; Balanços de massa e energia. Esses objetivos devem ser considerados na escolha dos equipamentos. Quesitos mais rigorosos de desempenho tais como: exatidão, limites de sobre pressão e pressão estática, estabilidade e outros podem enca- recer desnecessariamente o projeto. Todos os fabricantes em geral oferecem ao mercado mais de uma versão de transmissores com características técnicas distintas e obviamente com preços também distintos. Qual é o fluido do processo? O fornecedor deverá ser informado das características do fluido. Em geral o fabricante poderá recomendar materiais ou conexões especiais. Vale lembrar que a decisão final será sempre do usuário ou da empresa de engenharia envolvida. Alguns dados do fluido de processo são fundamentais na escolha do transmissor: • • • • • • • • • • • • • MA50_Med_Vazao_v3.indd 24 13/6/2011 12:55:21 252011 :: Mecatrônica Atual instrumentação Estado (líquido, gás, vapor): Define a posição da válvula de dreno/vent; Pressão máxima do processo: Im- portante para a avaliação dos limites de sobre pressão e pressão estática do transmissor; Temperatura máxima do processo: Poderá ser determinante para o uso de selos remotos ou apenas manter uma distância mínima na linha de impulso (tubing). Opcionais? Alguns opcionais podem ser incluídos no fornecimento dos transmissores: Indicador local - Esse item não tem um custo muito alto e é muito útil, pois não só permite a leitura da variável em unidades de engenharia (kgf/cm2, bar, mmH2O, Pa, psi, etc) como também facilita a configuração do transmissor quando não se dispõe de um configurador; Manifold - A compra casada (trans- missor + manifold) traz vantagens comerciais e evita qualquer incompa- tibilidade técnica na montagem; Suporte para tubo de 2” - Esse item é quase obrigatório. Alguns suportes permitem também a montagem em superfícies planas. Recomenda-se especificar o suporte com pelo menos os parafusos e porcas em aço inox , garantindo-se uma melhor resistência à atmosferas corrosivas; Prensa-cabos - Esse item pode ser encomendado junto com o transmis- sor. Recomenda-se porém, incluí-lo na compra do material de montagem, garantindo a compatibilidade com a bitola do cabo a ser utilizado. Protocolo de comunicação? Os protocolos de comunicação mais comuns são: 4-20 mA+HART; Foundation Fieldbus; Profibus PA. Alguns fabricantes oferecem ao mercado, transmissores que com a simples substituição da placa de circuito eletrônico ou apenas do firmware, o transmissor muda sua versão de protocolo, podendo ser usado em sistemas distintos. Os fabricantes também fornecem junto com os transmissores, CD’s com todos os • • • • • • • • • • RBC, podem demandar em maior prazo de entrega e em geral resultam em custos adicionais. Outra certificação importante deve ser observada quando se usa transmissores em área classificadas. Os projetos de instru- mentação para esses casos adotam normas atendendo: prova de explosão, segurança aumentada ou segurança intrínseca. Os certificados são distintos e é responsabilidade do usuário sua correta utilização. O mesmo vale para SIS, Sistemas Ins- trumentados de Segurança. Um transmissor de pressão especificado para áreas críticas, isto é, para a função de segurança, é um equipamento projetado com probabilida- des de falhas baixas e alta confiabilidade de operação. No mercado existem dois conceitos.Um que é o baseado no “Prove in Use” e outro baseado na certificação da IEC 61508. Tem-se visto na prática em muitas aplicações a especificação de equipamentos com certificação SIL para serem utilizados em sistemas de controle, e sem função de segurança. Acredita-se também que haja no mercado desinforma- ção, levando a compra de equipamentos mais caros, desenvolvidos para funções de segurança, onde na prática serão aplicados em funções de controle de processo, onde a certifição SIL não traz os benefícios es- perados, dificultando inclusive a utilização e operação dos equipamentos. Os Sistemas Instrumentados de Segu- rança (SIS) são os sistemas responsáveis pela segurança operacional e que garantem a parada de emergência dentro dos limites considerados seguros, sempre que a operação ultrapassa estes limites.O objetivo principal é se evitar acidentes dentro e fora das fábri- cas, como incêndios, explosões, danos aos equipamentos, proteção da produção e da propriedade e mais do que isto, evitar riscos de vidas ou danos à saúde pessoal e impactos catastróficos para a comunidade. F6. LD400 – Diagrama Funcional. arquivos (DD’s e DTM’s)
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