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FACULDADE DAS AMÉRICAS – FAM ARIANE AP. FLORENTINO SEVERO RA: 027431 CAIO HENRIQUE SALES BRASIL RA: 027432 DAILSON JOSÉ DE QUEIROZ LIMA RA: 028646 SAMANTHA AMORIM REBOLLEDO RA: 028638 DETECTOR DE GÁS INFLAMÁVEL E FUMAÇA COM ACIONAMENTO DE UMA VÁLVULA SOLENÓIDE SÃO PAULO 2018 RESUMO Este trabalho exibe o desenvolvimento de um projeto a partir da utilização de uma plataforma de prototipagem eletrônica de hardware livre e de placa única o Arduino e o sensor, baseando se assim na alteração do protótipo ao recebimento de gás de um sensor. O projeto e construção desse sensor passaram pelas etapas de pesquisa dos componentes eletrônicos e suas propriedades, idealização da construção do protótipo, curva para operação. A utilização do hardware e sensor em questão se mostrou uma boa alternativa para a medição doa gases ativos ao ambiente exposto. SUMÁRIO 1. OBJETIVO ............................................................................................................ 4 2. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 5 3. LISTA DE MATERIAIS UTILIZADOS E ORÇAMENTO ........................................ 6 4. ARDUINO ............................................................................................................. 7 4.1 IDE Arduino ........................................................................................................ 9 4.2 Programação.................................................................................................... 10 5. SENSOR DE GÁS .............................................................................................. 13 5.1 Sensores catalíticos ......................................................................................... 13 5.2 Sensores semicondutores ................................................................................ 14 5.3 Sensores infravermelhos ................................................................................. 14 5.4 Sensores eletroquímicos .................................................................................. 15 5.5 Sensor de gás inflamável e fumaça MQ-2 ....................................................... 15 6. VÁLVULA SOLENÓIDE ...................................................................................... 17 6.1 Funções do circuito .......................................................................................... 17 6.2 Tipos de operação ........................................................................................... 18 7. FLUÍDOS ............................................................................................................ 21 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .......................................................................... 24 4 1. OBJETIVO Projetar e construir um detector de gás de petróleo liquefeito, butano, propano, metano, hidrogênio, álcool, gás natural e fumaça no qual provoque o acionamento de uma válvula solenóide. 5 2. INTRODUÇÃO Antes do surgimento do Arduino, para se criar um circuito interativo, era preciso muito esforço para elaborar um projeto do inicio e também para fazer alguma mudança de funcionalidade do circuito, onde ele teria apenas uma aplicação específica, para resolver esses problemas pertinentes um grupo de pesquisadores Italianos construiu um dispositivo que foi chamado de Arduino, com o propósito de simplificar o seu uso e torná-lo acessível para todos. 6 3. LISTA DE MATERIAIS UTILIZADOS E ORÇAMENTO •Válvula solenóide para gás e ar NA NF - R$ 25,90; •Placa Arduino UNO R3 + Cabo USB - R$ 56,90; •Sensor de gás inflamável e fumaça MQ-2 - R$ 16,90; •Módulo relé 5V 10A 1 canal com optoacoplador - R$ 10,90; •Módulo Buzzer 5V com jumper - R$ 12,90; •Protoboard - R$ 16,90; •Jumper para Protoboard - R$ 11,50. Os materiais foram orçados no site www.usinainfo.com.br, onde foi cobrado um frete no valor de R$ 14,19. Então, o valor total dos materiais mais o frete ficou em R$ 166,09. 7 4. ARDUINO O Arduino é basicamente uma plataforma formada por um Hardware (a placa) usada para criar os projetos e um Software (IDE Arduino) onde é processado as informações dos comandos, para que, a placa execute por meio de códigos de programação. A maior vantagem de se utilizar o Arduino para desenvolver projetos é a facilidade e simplicidade de manuseio, uma vez que qualquer pessoa com um conhecimento básico pode elaborar projetos. Sabendo o que é um Arduino e que ele tem funções parecidas com um computador, agora é preciso entender como programar. Na programação escrevemos um código que segue uma sequência lógica de tomada de decisões e leva em conta as variáveis que serão lidas e/ou controladas, ou seja, elas desempenham suas funcionalidades utilizando a sua IDE (Ambiente Integrado de Desenvolvimento), que por sua vez é um software onde podemos escrever um código em uma linguagem semelhante a C/C++, o qual, será traduzido, após a compilação, em um código compreensível pela placa. As possibilidades para criar projetos utilizando o Arduino são praticamente infinitas, levando em conta que é possível conectar dispositivos de entrada, como: Hardware, sensores, motores, antenas e entre outros. Isso torna sua aplicação muito diversificada, desde automação residencial até projetos mais complexos. Atualmente, o modelo mais usual é a placa Arduino UNO, porém existe uma gama de outros modelos de placas Arduino. Ainda que um projeto seja desenvolvido em uma determinada placa Arduino, ele pode facilmente ser adaptado a outro modelo. Segue abaixo alguns dos modelos de Arduino: 8 Segundo Mota (2017), a família Arduino vem ganhando muitos adeptos desde sua criação, por sua simplicidade e eficiência, em especial a Placa UNO R3 que se tornou a mais utilizada. Observa-se a seguir a placa Arduino UNO R3 e seus componentes: 9 1. Microcontrolador: É o cérebro da Placa. Este é o componente programável que roda o código enviado à placa. 2. Conector USB: É por onde há a comunicação entre computador e o Arduino com o auxílio de um cabo USB, além de ser uma opção de alimentação da placa. 3. Pinos de Entrada e Saída: Pinos que podem ser programados para agirem como entradas ou saídas fazendo com que o Arduino interaja com o meio externo. O UNO R3 possui 14 portas digitais (I/O), 6 pinos de entrada analógica e 6 saídas analógicas (PWM). 4. Pinos de Alimentação: Fornecem diversos valores de tensão que servem para dar energia aos componentes utilizados no projeto. 5. Botão de Reset: Botão que reinicia a placa. 6. Conversor Serial-USB e LEDs TX/RX: É um conversor que traduz as informações vindas do computador para que o microcontrolador entenda os comandos. Os LEDs TX e RX acendem quando o Arduino está transmitindo e recebendo dados pela porta serial respectivamente. 7. Conector de Alimentação: É responsável por receber a energia de alimentação externa, que pode ter uma tensão de no mínimo 7 Volts e no máximo 20 Volts e uma corrente mínima de 300mA. Recomenda-se 9V, com um pino redondo de 2,1mm e centro positivo. Caso a placa também esteja sendo alimentada pelo cabo USB, ele dará preferência à fonte externa automaticamente. 8. LED de Alimentação: Indica se a placa está recebendo energia. 9. LED Interno: LED conectado ao pino digital 13. 4.1 IDE Arduino O ambiente de desenvolvimento da plataforma Arduino utiliza uma linguagem baseada no C/C++, é uma linguagem bem difundida e simplificada, onde até pessoas sem conhecimento em programação poderão desenvolver um projeto com um pouco de estudo. 10 De acordo com Mota(2017): Em resumo, é um programa simples de se utilizar e de entender com bibliotecas que podem ser facilmente encontradas na internet. As funções da IDE do Arduino são basicamente três: permitir o desenvolvimento do software, de enviá-lo à placa para que possa ser executado e de interagir com a placa Arduino. 4.2 Programação O Arduino assim como o computador, é uma máquina que processa instruções, ambos possuem pelo menos um microprocessador, podendo o computador ter mais de um; sabemos que, um software é uma sequência de instruções que são enviadas para o computador, portanto, cada tipo de microprocessador entende um conjunto de instruções diferentes pois existe a linguagem de máquina. Por conta disso usamos a linguagem de programação pois as máquinas possuem seu próprio “idioma”, o que torna as instruções mais compreensivas para serem executadas. No caso de sistemas como o Arduino (os chamados sistemas embarcados), o software que roda no microprocessador é também chamado de firmware. A linguagem de programação (ou linguagem de programação de alto nível) utilizada no Arduino é a linguagem C++ (com pequenas modificações). 11 Na linguagem C++ há uma enorme variedade de códigos, pois ela não conta apenas com os seus próprios códigos, mas também com os da linguagem C, facilitando a programação em alto e baixos níveis, porém neste caso, a programação deve ser mais cuidadosa para que não haja erros, porque diferente da linguagem C que quando apresenta um erro, conseguimos identificar “rapidamente”, no C++, se houver algum erro mínimo, o código não funciona ou apresenta problemas muito difíceis de identificar. Alguns fatos sobre o C++: •O C++ é uma linguagem criada para ser tão eficiente quanto o C, porém com novas funções. •É uma linguagem que suporta múltiplos paradigmas. •A linguagem da liberdade para o programador escolher as opções, mesmo sendo a opção errada. •Muitos códigos podem ser transferidos para C facilmente, pois o C++ foi criado para ter compatibilidade com o C. •A linguagem não tem privilégios para alguns grupos de programadores, os comandos são feitos para todas as especialidades de programadores •Não é necessário um ambiente de desenvolvimento muito potente para o desenvolvimento de C++. A ação de converter um programa de linguagem de alto nível (ou código fonte) para linguagem de máquina se chama compilar; para isso normalmente, utiliza-se um ambiente de desenvolvimento (ou IDE, do inglês Integrated Development Environment), que é um aplicativo de computador onde possui um compilador integrado, que pode-se escrever o programa e compilá-lo. No caso do Arduino, esse ambiente de desenvolvimento é o Arduino IDE. Um algoritmo ou simplesmente programa, é a forma de dizer para a máquina o que deve ser feito, de modo que seja fácil para nós, humanos, entendermos. Os algoritmos normalmente são escritos em língua de programação de alto nível; isso aplica- se a praticamente qualquer computador, inclusive o Arduino, onde um 12 algoritmo também é conhecido como sketch. Um programa é composto de uma sequência de comandos, normalmente escritos em um arquivo de texto. A comunicação serial é utilizada amplamente para comunicar o Arduino com outros dispositivos (como módulos ZigBee, Bluetooth, Computador entre outros.) através do conversor serial USB presente nas placas. A biblioteca padrão do Arduino possui uma classe que encapsula algumas funcionalidades para comunicação serial de modo a facilitar a utilização desta função. 13 5. SENSOR DE GÁS Os sensores são dispositivos que exercem a capacidade de detectar/captar ações ou estímulos externos ao ambiente e responder em consequência. Estes aparelhos podem transformar as grandezas físicas ou químicas em grandezas eléctricas. No entanto existem diferenciações nos sensores existentes 5.1 Sensores catalíticos Os sensores catalíticos são utilizados para detecção de gases inflamáveis, sendo realizada em % de LEL. Possui como princípio de funcionamento a ponte de Wheatstone, onde basicamente existe um par de elementos denominados detector e compensador, onde o detector consiste em um fio formado por uma liga de platina com material catalítico e o compensador, um material idêntico, porém sem a parte catalítica. Quando um gás combustível se mistura ao ar sobre a superfície do elemento catalítico quente, acontece uma combustão. O calor emitido aumenta a temperatura da pérola, que altera a resistência da bobina. Essa alteração faz com que o sensor catalítico emita um sinal, que será interpretado por um dispositivo digital ou amplificado, para que um conversor analógico/digital faça a leitura. Para atender aos requisitos de segurança, esses dispositivos são montados numa carcaça metálica resistente, protegida por uma tela metálica. 14 5.2 Sensores semicondutores Como o nome já diz, esses aparelhos são fabricados a partir de materiais semicondutores e operam através da absorção de gás na superfície aquecida de um filme de óxido de metal fino. Essa peça fica em cima de uma fatia de silício. Quando absorvido, o gás causa uma oxidação catalítica, altera a resistência elétrica do óxido e aponta a mudança de concentração de gás na atmosfera. São simples e oferecem excelente resposta, mesmo com concentrações baixíssimas. Os sensores semicondutores precisam de checagem e calibração frequentes para funcionar em alta qualidade sempre. 5.3 Sensores infravermelhos Os gases possuem espectros de absorção de radiação infravermelha diferentes. Com base nesse princípio, foram desenvolvidos esses aparelhos, que utilizam um emissor infravermelho e um sensor infravermelho com filtros ópticos. Então, o gás monitorado flui dentro de uma câmara, que conta com uma fonte de radiação infravermelha. Outros dois sensores são instalados: um serve de referência e o outro é o sensor propriamente dito. O sinal de alerta vem da diferença entre o sinal desses dois elementos, que devem estar sintonizados para comprimentos de onda diferentes. 15 5.4 Sensores eletroquímicos Estes dispositivos se parecem com pequenas células movidas a combustível. Dois eletrodos são separados por um eletrólito: um é o de polarização e o outro, o sensor. Todo o conjunto é fechado por um invólucro plástico poroso, que permite que o gás externo entre e faça contato com o eletrodo sensor. Então, uma reação química de oxidação ou redução acontece, resultando numa tensão elétrica entre os terminais. Para que esse processo ocorra, é preciso que exista oxigênio na atmosfera do aparelho, que pode entrar com o próprio gás detectado ou por difusão pelos lados do sensor. 5.5 Sensor de gás inflamável e fumaça MQ-2 Este Sensor de Gás MQ-2 Inflamável e Fumaça será o sensor que utilizaremos no projeto tal qual é capaz de detectar concentrações de gases combustíveis e fumaça no ar. 16 Especificações: – Modelo: MQ-2 (datasheet) – Detecção de gases inflamáveis: GLP, Metano, Propano, Butano, Hidrogênio, Álcool, Gás Natural e outros inflamáveis. – Detecção de fumaça – Concentração de detecção: 300-10.000ppm – Tensão de operação: 5V – Sensibilidade ajustável via potenciômetro – Saída Digital e Analógica – Fácil instalação – Comparador LM393 – Led indicador para tensão – Led indicador para saída digital – Dimensões: 32 x 20 x 15mm Pinagem: –VCC: 5V –GND: GND –D0: Saída Digital – A0: Saída Analógica 17 6. VÁLVULA SOLENÓIDE A válvula solenoide é uma válvula eletromecânica controlada que recebe o nome de solenoide porque a principal peça é uma bobina elétrica com núcleo ferromagnético móvel no centro onde esse núcleo é chamado de êmbolo, quando esta em repouso esse êmbolo fecha um pequeno buraco onde passa um fluído, essa válvulapode ser usada para bloquear, distribuir, dosificar e mesclar o escoamento de um fluido ou gás. O funcionamento dessa válvula acontece com uma corrente elétrica passando por ela, onde essa corrente elétrica que esta circulando cria um campo magnético que faz uma força sobre o êmbolo, como consequência da força feita o embolo é deslocado para o centro da bobina abrindo o pequeno buraco, esse é conceito básico de como a válvula solenóide abre e fecha. 6.1 Funções do circuito O objetivo da válvula solenóide é demonstrado pela sua função de circuito, exemplo: 2/2 tem duas portas (1 de entrada e 1 de saída) e duas posições (aberta ou fechada), essa válvula é comumente aberta e fechado no estado desenergizado; 3/2 tem três portas e duas posições, essa válvula tem a como uma das suas funções a de alternar entre dois circuitos, essa válvula pode ter outras funções que diferem das funções que já são conhecidas que são a desviadora e a universal. Vários tipos de combinação de válvulas um uma construção podem ser feitas por conta disso, foram feitos símbolos para representar a função do circuito de cada válvula em cada posição, exemplo: 18 6.2 Tipos de operação As válvulas solenoides podem ser divididas basicamente em três tipos de categoria de operação, são eles: Operação direta: A válvula solenoide de operação direta é a que tem o funcionamento mais simples entre todas as outras, nessa válvula o fluido ou gás escoa através de um pequeno buraco que pode ser aberto ou fechado por um embolo com uma junta de borracha na arte inferior, uma das características dessa válvula é que a pressão máxima e o escoamento tem relação com o diâmetro do buraco e a com a força magnética exercida pela válvula o que faz com que ela seja usada em situações quando a taxa de escoamento é relativamente pequena e não requer pressão mínima ou diferença de pressão para ser acionada. Esquema de válvula 2/2 em operação direta: Operação indireta (servo acionada ou pilotada): Essa válvula solenoide usa a pressão diferencial do meio incidente para abrir e fechar onde habitualmente é exigida uma pressão diferencial de no mínimo 0,5 bar para funcionamento, uma membrana de borracha separa a saída e a entrada dessa válvula, nessa membrana há um pequeno buraco para escoamento de gás ou liquido para o compartimento superior que esta conectado a uma porta de baixa pressão que é o “piloto”, quando passa uma corrente elétrica pela válvula o piloto abre fazendo com que a pressão na membrana caia e devido a essa queda de pressão a membrana é elevada permitindo o escoamento do fluido ou gás para a porta de 19 saída ou entrada. Devido o jeito que a válvula solenoide indireta funciona, ela só pode ser usada para escoamentos em uma direção, alguns exemplos de sua aplicação podem ser sistemas de irrigação e chuveiros. Esquema de válvula 2/2 em operação indireta: Operação semi-direta: A válvula solenoide em operação semi-direta é uma combinação das válvulas direta e indireta, a partir dessa combinação essa válvula pode funcionar com uma pressão diferencial de 0 bar e ainda trabalhar com uma alta taxa de escoamento, essa válvula tem uma membrana com um pequeno buraco assim como a válvula indireta mas a diferença é que o êmbolo esta conectado diretamente a membrana, deste modo quando o embolo é elevado ele levanta a membrana junto abrindo a válvula. Nesta mesma operação outro buraco é aberto pelo embolo, fazendo com que a pressão no compartimento superior a membrana tenha uma queda e consequentemente a membrana é levantada pela diferença de pressão além do êmbolo, essa válvula também pode ser conhecida como válvula solenóide de elevação assistida. Esquema de válvula 2/2 em operação semi-direta: 20 Válvula 3/2 em operação direta: Essa válvula tem dois estados de comutação, em cada um deles duas estre suas três portas estão em conexão, quando a válvula é acionada ela apaga o estado, e uma conexão distinta é estabelecida. Esquema de valvula3/2 em operação direta: 21 7. FLUÍDOS Os fluidos são substâncias que apresentam capacidade de escoar, pois não podem resistir a tensão de cisalhamento, uma força que é paralela à sua superfície. Os Líquidos e os gases são considerados fluidos, pois sempre assumem a forma do recipiente onde são colocados, porém é preciso diferenciá- los. Os líquidos adquirem a forma do recipiente possuindo volume definido e incompressível, enquanto os gases preenchem o recipiente, não formam superfície livre, não tem volume definido e são compressíveis. Conforme Mossmann (2017), o comportamento de um fluido tem relação entre o seu volume e a sua massa. Sendo que a massa é quantidade de matéria que um corpo possui e o volume são as dimensões desse corpo (comprimento, largura e altura). Considerando um determinado corpo, a relação entre a quantidade de matéria "m" deste corpo e seu volume "V" é chamada de densidade média ou massa específica. Onde: • ρ = Massa específica ou densidade média; • m = Massa; • V = Volume. A unidade no SI é o Kg/m3. Outra importante propriedade em um fluido que deve ser observada é a pressão. A pressão é ação do líquido sobre as paredes de um recipiente e pode ser explicada entre razão da força aplicada pelo fluido e a área de aplicação dessa força. Em outras palavras, pode-se dizer que a pressão P, em um fluido é a razão entre a força normal em N e a área em m2, onde é aplicada a força. Lembrando que pressão é uma grandeza escalar, enquanto a força é um vetor com módulo, direção e sentido (MOSSMANN, 2017). 22 Onde: • P= Pressão; • F= Força; • A= Área. A unidade no SI é o N/m2, também chamado de Pascal (PA). Outro ponto a ressaltar é que a atmosfera também exerce pressão sobre nós. Então a pressão atmosférica P0 ao nível do mar e a 20◦C, equivale a: P0 = 1.013×105 Pa = 1atm Considerando uma determinada pressão e uma dada altura em um fluido, conforme a Figura. Sendo que a força F1 é a força exercida pelo fluido que se encontra acima do corpo, F2 em oposição à primeira força, tendo sentido oposto por causa do fluido abaixo do cilindro, e a força peso mg, sendo m a massa de água dentro do cilindro oco, tendo mesmo sentido que a força F2. Este sistema se encontra em repouso, assim a soma de todas as forças é nula. Então obtém-se F1 = P1 e F2 = P2. Porém, de acordo com a equação m = ρV, onde o volume V, é o resultado da área da base A vezes altura do cilindro y1 − y2. Substituindo e simplificando estas relações na igualdade obtida anteriormente, temos: 23 Assim, sabendo que a pressão no ponto 1 (ponto mais próximo da superfície) é a pressão atmosférica P1 = P0, P2 = P, y1 como origem (y1= 0) e y2= h (sem sinal negativo), temos: 24 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS THOMSEN, Adilson. "O que é Arduino?". 2014. Disponível em: <https:// www.filipeflop.com/blog/o-que-e-arduino/>. Acesso em: 08 Set 2018. CHAVIER, Luís Fernando. "Programação para Arduino - Primeiros passos". Disponível em: <https://www.circuitar.com.br/tutoriais/programacao-para-arduino- primeiros-passos/>. Acesso em: 07 Set 2018. MOTA, Allan. "O que é Arduino e como funciona?". 2017. Disponível em: <https:// portal.vidadesilicio.com.br/o-que-e-arduino-e-como-funciona/>. Acesso em: 08 Set 2018. PICORETI, Rodolfo. "Comunicação Serial Arduino". 2017. Disponível em: <http:// portal.vidadesilicio.com.br/comunicacao-serial-arduino/>. Acesso em: 07 Set 2018. SILAS, Joab. "O que é um fluido?"; Brasil Escola. Disponível em <https:// brasilescola.uol.com.br/o-que-e/fisica/o-que-e-um-fluido.htm>. Acesso em 11 de Set 2018. MOSSMANN, Eduardo H. “Sobre a Mecânica de Fluidos e Suas Aplicações". 2017. 6p. Artigo – Universidade Federalde Pelotas, Instituto de Física e Matemática. Pelotas-RS, 2017. GOMES, Maria H. R. “Apostila de Mecânica dos Fluidos". 79p. Apostila – Universidade de Juiz de Fora, Juiz de Fora-MG, [20--]. PACIEVITCH, Yuri. "C++". Disponível em: <https://www.infoescola.com/informatica/cpp/>. Acesso em: 07 Set 2018. SILVEÍRA, Cristiano. Como Funciona a Válvula Solenóide e Quais São os Tipos Existentes?. 2018. Disponível em: <https://www.citisystems.com.br/valvula- solenoide/>. Acesso em 10 Set 2018. PERCON. Funcionamento de Detectores Gases. 2012. Disponível em: <http:// acessopercon.com.br/percon/funcionamento-de-detectores-de-gases/>. Acesso em: 07 Set 2018. INSTITUTO NEWTON C. BRAGA. Como Funcionam os Sensores de Gases Tóxicos (ART2860). 2018. Disponível em: < http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/12105-como-funcionam- os-sensores-de-gases-toxicos-art2860/>. Acesso em 08 Set 2018. http://www.filipeflop.com/blog/o-que-e-arduino/ http://www.circuitar.com.br/tutoriais/programacao-para-arduino-primeiros-passos/ http://www.circuitar.com.br/tutoriais/programacao-para-arduino-primeiros-passos/ http://www.infoescola.com/informatica/cpp/ 25
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