Relatório 1 Instrumentação Industrial

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INSTITUTO LATINO AMERICANO DE 
TECNOLOGIA, INFRAESTRUTURA E TERRITÓRIO 
 
 
 
 
 
Relatório 1 
Automação de Controle Elétricos 
Medição de Temperatura Parte 1 e 2 
 
 
 
Bárbara Giaretta 
Marcos Vinícius Konopka 
Vittoria Santos de Vicente 
 
 
 
 
Prof. Leonardo da Silva Arrieche 
 
 
 
 
 
 
 
 
Foz do Iguaçu 
Abril, 2021 
1. INTRODUÇÃO 
O SciLab é um software científico que apresenta um poderoso ambiente 
computacional aberto para aplicações científicas principalmente na área da 
engenharia química. Desenvolvido desde 1990 pelos pesquisadores do INRIA (Institut 
National de Recherche em Informatique et en Automatique) e do ENPC (École 
Nationale des Ponts et Chaussées), SciLab é agora mantido e desenvolvido pelo 
SciLab Enterprises desde julho de 2012. Distribuído gratuitamente via Internet em 
www.scilab.org, o software é atualmente usado em diversos ambientes industriais e 
educacionais pelo mundo. (P.H.F. GREPINO, F. A. RODRIGUES, 2015) 
Os comandos elétricos são processos eletroeletrônicos que permitem acionar 
sistemas de automação e máquinas elétricas, por meio da lógica de contatos. 
São de fundamental importância para a indústria pois melhoram a produção, 
já que possibilitam o controle de diversas máquinas, evitando o desgaste de 
equipamentos e reduzindo os preços (BRANDÃO, 2020). 
O CADe SIMU é um software de fácil manipulação, utilizado para treinar a 
construção de diagramas e comandos elétricos. 
A utilização de medidores de temperatura na indústria é um dos principais 
equipamentos utilizados em um processo, como por exemplo a medição da 
temperatura em um tanque, ou na entrada e saída de um processo, saber a 
temperatura é essencial para o bom funcionamento do processo. Para isso, a 
utilização de equipamentos que fazem essa medição, depende das condições em que 
o processo está submetido, ao lugar em que vai ser feita a medição, se esse lugar é 
acessível, e assim por diante. Um dos principais medidores de temperatura é o 
Termopar. 
Termopar é um equipamento que por causa da sua robustez, baixo custo e por 
ter um alto espectro de temperatura. Seu funcionamento se baseia no efeito 
termoelétrico de Thomas Seebeck que em 1821 descobriu que há a criação de uma 
diferença de potencial quando dois metais são unidos em um ponto de contato e são 
submetidos a uma variação de temperatura (SOUZA, BORTONI, 2006). Um esquema 
do Efeito Seebeck está exemplificado na Figura 1. Ao termopar é recomendado que 
a sua junta de referência fique em um lugar isolado onde a temperatura seja regulada, 
a medição da tensão pode ser feita ainda em um lugar de controle, levando os dados 
até lá através de cabos de extensão. 
 
Figura 1. Efeito Seebeck (SOUZA, BORTONI, 2006) 
 
 É possível substituir o banho de gelo da junta de referência por um circuito 
chamado de Ponte de Wheatstone. Essa substituição é porque um circuito é mais 
estável que o banho de gelo, e assim evita erros da medição da temperatura. 
 A Ponte de Wheatstone é um circuito demonstrado na Figura 2, onde possui 4 
resistores, sendo duas de resistência conhecidas (R1 e R3), um de resistência variável 
(R2) e um de resistência desconhecida (Rx), e um Galvanômetro (G). Seu básico é 
que se varia a resistência do resistor R2 até que o Galvanômetro indique que não há 
diferença de potencial entre os ramos C e D. Assim se diz que a Ponte de Wheatstone 
está em equilíbrio (OMEGA,2015). E assim o circuito pode ser usado como uma 
referência de tensão quando ele está em equilíbrio, para um termopar. 
 
Figura 2. Ponte de Wheatstone 
 
 
 
 
 
2. OBJETIVO 
O SciLab tem como objetivo simular eventos de controle de processos 
industriais, o uso de instrumentos industriais, como sensores, e as diferenças entre 
os processos quando algum destes sensores tem algum problema. 
Simular o funcionamento de um diagrama elétrico e verificar sua execução, no 
software CADe SIMU. 
Estudar a utilização de termopares com a utilização de uma Ponte de 
Wheatstone como junta de referência. 
 
3. METODOLOGIA 
No SciLab, simulou-se o processo de controle de nível de realimentação de um 
tanque, que possuía um sensor de nível que controlava a bomba que permitia a saída 
de fluxo do tanque. 
 
Figura 3. Exemplo de sistema de controle 
O nível em um tanque cilíndrico com um volume de 20 m3 uma área de seção 
transversal de 10 m2 e um o fluxo de entrada em regime de 2 m3/min controlado com 
controlador PI. A mudança máxima em degrau na taxa de fluxo de entrada, com base 
na experiência da planta, é 0,2 m3/min (ou seja, 10% do normal). 
1. Foi simulado o sistema no SciLab Xcos com os seguintes dados: 
- Degrau de 0,2 m3/min na vazão de entrada 
- Kc= -2,94 m3/(min*m) 
- KC/Ti= - 2,94 m3 /(min*m) / 13,6 min = - 0,2161 m3 /(min3*m) 
2. Depois inclui-se um sensor de nível com valor unitário. 
3. E foi incluído um tempo morto na saída do bloco do sensor, que foi testado 
com delay de 1s, 2s e 5s. 
 
 
Figura 4. Sistema de controle 
 
 
No CADe Simu, montou-se um diagrama elétrico simplificado que representa 
o sistema de um reator químico que recebe 4 reagentes (A, B, C e D), sendo que os 
reagentes B e C não poderiam ser misturados sem a presença de A, os reagentes C 
e D também não poderiam ser misturados na ausência de A e os reagentes B e D 
não poderiam ser misturados de forma alguma. A permissão para o acionamento do 
misturador (M) foi indicada pelo acionamento de uma lâmpada e a presença de cada 
reagente pelo acionamento de uma chave. 
De acordo com as condições de mistura do reator montou-se uma tabela 
verdade (Quadro 1), na qual para os reagentes, o número 0 indica ausência e o 
número 1 a presença deles, e para o misturador (M), o número 0 indica que está 
desligado e o número 1 indica que está ligado. Desta forma, foram realizados testes 
no diagrama montado para verificar se atendia à tabela verdade. 
 
Quadro 1. Tabela verdade 
Linhas A B C D M 
0 0 0 0 0 1 
1 0 0 0 1 1 
2 0 0 1 0 1 
3 0 0 1 1 0 
4 0 1 0 0 1 
5 0 1 0 1 0 
6 0 1 1 0 0 
7 0 1 1 1 0 
8 1 0 0 0 1 
9 1 0 0 1 1 
10 1 0 1 0 1 
11 1 0 1 1 1 
12 1 1 0 0 1 
13 1 1 0 1 0 
14 1 1 1 0 1 
15 1 1 1 1 0 
 
 
 
 
 
 
 
No experimento com o termopar, posteriormente foi usado um termopar do tipo 
T em três pontos de medição a temperatura ambiente de 20°C. A tabela do termopar 
tipo T está no Quadro 2, e com a medição das tensões desses pontos foi feito o 
cálculo da temperatura em cada ponto. 
 
Quadro 2. Termopar Tipo T – Voltagem termoelétrica em função da temperatura (°C); 
referência a 0 °C. 
Voltagem Termoelétrica (mV) 
°C 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
0 0,000 0,039 0,078 0,117 0,156 0,195 0,234 0,273 0,312 0,352 0,391 
10 0,391 0,431 0,470 0,510 0,549 0,589 0,629 0,669 0,709 0,749 0,790 
20 0,790 0,830 0,870 0,911 0,951 0,992 1,033 1,074 1,114 1,155 1,196 
30 1,196 1,238 1,279 1,320 1,362 1,403 1,445 1,486 1,528 1,570 1,612 
40 1,612 1,654 1,696 1,738 1,780 1,823 1,865 1,908 1,950 1,993 2,036 
50 2,036 2,079 2,122 2,165 2,208 2,251 2,294 2,338 2,381 2,425 2,468 
60 2,468 2,512 2,556 2,600 2,643 2,687 2,732 2,776 2,820 2,864 2,909 
 
 Em seguida foi feito a utilização de um termopar com a junta de referência 
como um banho de gelo a 0°C, onde a tensão era de 0,82 mV, e a junta de medição 
em uma vela como exemplificado na Figura 5, onde a tensão era de 1,95 mV. E 
posteriormente feito o cálculo para determinar o cálculo da temperatura medida pelo 
termopar 1. 
 
Figura 5. Esquema de medição da temperatura pelo termopar 1. 
 
 Por fim, foi feito um estudo sobre a utilização de uma Ponte de Wheatstone 
como junta de referência para um termopar. Um circuito foi montado utilizando: 
- Fonte de tensão contínua variável (0 – 12 V); 
- Resistores para a montagem da Ponte de Wheatstone: 495, 100, 150 e 330 Ω 
(ou associações em série/paralelo); 
- Resistores diversos para registrar o desequilíbrio da ponte: 10,100, 220, 469, 
993, 3850 Ω; 
- Multímetro digital, e 
- Protoboard, fios elétricos e materiais de laboratório em geral. 
 O circuito montado está na Figura 6, para o estudo do desequilíbrio da ponte. 
 
Figura 6. Circuito montado na proatboard. 
 
 
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES] 
Agora, analisando a simulação feita no SciLab, temos os seguintes gráficos. 
 
Figura 7. Gráfico Delay de 1 segundo 
 
Figura 8. Gráfico Delay de 2 segundos 
 
Figura 9. Gráfico Delay de 5 segundos 
 
Quando se aplica o delay no sistema pode-se notar uma interferência na 
dinâmica do processo. Com o aumento do delay a dinâmica piora e a saída fica mais 
instável, isso pode ser notado quando comparamos os gráficos das figuras 7 e 8 com 
o gráfico da figura 9, nos primeiros o crescimento e decrescimento é gradativo e no 
terceiro percebe-se uma oscilação brusca e intensa. 
 Esse tipo de falha no sistema de controle deixa o sistema mais instável e 
desgasta o equipamento, além de demorar mais para o sistema retomar a 
estabilidade normal. Por isso, quanto maior é o tempo de atraso na resposta mais 
difícil é o controle do processo, isso pode piorar com a demora para solucionar o 
problema pois esse delay pode aumentar com o tempo e danificar o equipamento. 
Após a simulação no CADe SIMU obteve-se os seguintes resultados. 
 
Figura 10. Reagentes C e D 
 
 
Figura 11. Reagentes B, C e D 
 
 
Figura 12. Reagentes B e D 
 
 
 Figura 13. Reagente A 
 
 
Figura 14. Reagente A e C 
Verificou-se que acionando as chaves que representam os reagentes C e D 
(Figura 10) a lâmpada (L) não acendeu o que indica que o misturador (M) não foi 
acionado, o mesmo ocorreu ao testar a presença dos reagentes B, C e D (Figura 11) 
e posteriormente com os reagentes B e D (Figura 12). Ao acionar a chave apenas do 
regente A (Figura 13), o misturador é acionado, acendendo a lâmpada, o mesmo 
ocorre na presença dos reagentes A e C (Figura 14). Após a realização dos 5 testes, 
foi possível verificar que a simulação do diagrama está de acordo com a tabela 
verdade formulada por meio de lógica. Assim, fica evidente que é possível e prático 
acionar máquinas e fazer o controle adequado delas por meio de comandos elétricos 
a partir de um diagrama elétrico. 
Por último, analisando os dados do termopar utilizando o Quadro 2 do termopar 
tipo T foi calculada a temperatura nos 3 pontos que a tensão foi medida por meio do 
voltímetro. Foi calculada a temperatura de cada ponto somando as tensões de cada 
ponto, sabendo que a temperatura ambiente era de 20°C, e que a milivoltagem para 
essa temperatura ambiente é de 0,790 mV. Com os valores indicados no voltímetro 
de cada ponto, foi somado com a tensão da temperatura ambiente, e essa tensão 
achada no Quadro 2. Se a temperatura não fosse encontrada foi realizada uma 
interpolação (com os valores do Quadro 2), para então encontrar a temperatura exata 
daquele ponto. Os resultados estão na Tabela 3. Observou-se que quanto maior a 
tensão, maior a temperatura. 
Tabela 3. Temperatura de cada ponto em relação a cada DDP do termopar 
tipo T, seguindo os valores da Tabela 2. 
Ponto DDP (mV) Temperatura (°C) 
Ambiente 0,790 20 
1 0,821 40 
2 0,399 10 
3 1,033 45 
 
Na segunda situação da Figura 5, como é um termopar do tipo T, também foi 
utilizado o Quadro 2. O milivoltímetro 2 de 0,82 mV, se refere à temperatura ambiente, 
de 20,45°C. Portanto a tensão do milivoltímetro 1 é onde está sendo feita a medição, 
sendo a sua tensão de 1,95 mV. Somando as a tensão 1 com a tensão 2, a DDP 
referente ao termopar 1 é de 2,77 mV, e realizando uma interpolação para se 
encontrar a temperatura exata, o resultado encontrado foi de 66,86°C é a temperatura 
medida pelo termopar 1. 
 
 
Para o estudo do circuito da Figura 6 foi variado as resistências e medindo a 
tensão a cada nova resistência. Os resultados estão na Tabela 4. 
 
Tabela 4. Valores da tensão da ponte a cada resistência substituída no circuito. 
 
R1 = 
10 Ω 
R2 = 
100 Ω 
R3 = 
220 Ω 
R4 = 
469 Ω 
R5 = 
993 Ω 
R6 = 
3850 Ω 
Tensão da 
Ponte (V) 4,38 3,65 4,27 1,6 0,016 2,64 
 
Com esses dados o gráfico da Figura 15 fez relação entre Tensão (V) x 
Resistência (Ω), observou-se que quanto menor a resistência maior a tensão, porém 
com um dado discrepante na resistência de 3850 Ω. Fazendo a linha de tendência a 
equação que melhor se adapta aos dados é a da Equação 1, com um R2 = 0,3998. 
 
 
Figura 13. Gráfico Tensão (V) x Resistência (Ω), com a equação de tendência e o R2. 
 
𝑦 = −0529 ∗ 𝑙𝑛(𝑥) + 5,72 (Equação 1) 
 
A ponte de Wheatstone tem o objetivo de equilibrar o sistema, determinando o 
valor da resistência desconhecida, pois para isso é necessário que o sistema esteja 
em equilíbrio. Com isso é possível fazer uma relação com o termostato, que precisa 
que o ponto de referência esteja em equilíbrio de 0°C, o que geralmente se usa um 
banho de gelo. Assim a ponte de Wheatstone pode substituir esse banho de gelo, 
como ponto de referência de um termopar, pois ela mantém um valor de tensão 
constante, e que assim, uma referência é mantida. 
 
5. CONCLUSÃO 
Dessa forma, podemos relacionar as práticas, visto que elas se complementam 
quando o fim é um processo industrial. A parte de controle de processos, que é 
simulado pelo SciLab, notamos que precisamos usar o CADe SIMU para controlar um 
instrumento, como um termopar, para automatizar o controle de temperatura. 
Conclui-se que o termopar é um instrumento que possui uma ampla aplicação 
no meio industrial, e que a utilização da Ponte de Wheatstone é uma melhor junta de 
referência, do que a utilização comum de um banho de gelo a 0°C. 
Portanto foram alcançados os objetivos do experimento, que por sua vez, foi 
concluído satisfatoriamente. 
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
BRANDÂO, A. S. Controladores Lógicos Programáveis: Especialização em 
Automação e Controle de Processos Agrícolas e Industriais. 2020. Notas de Aula. 
Universidade Federal de Viçosa-MG. 
CADESIMU.NET. Comandos elétricos com CADE SIMU. Disponível em: 
https://www.cadesimu.net/. Acesso em: 16/04/2021 
OMEGA - A SPECTRUS COMPANY. Circuitos de medição. Disponível em: 
https://br.omega.com/prodinfo/ponte-wheatstone.html. Acesso em 15/04/2021. 
P.H.F. GREPINO, F. A. RODRIGUES, UTILIZAÇÃO DE SOFTWARES LIVRES NO 
ENSINO DA ENGENHARIA QUÍMICA, Universidade Federal de Viçosa, 
Departamento de Química, 2015. 
SOUZA, Zulcy de; BORTONI, Edson da Costa. Instrumentação para sistemas 
energéticos e industriais. Itajubá: Novo Mundo, 2006. 387 p. ISBN 8599917021.