Sistema de Aquisição de Dados em Ambiente LabVIEW para Sistemas de Aquecimento Solar

"O LabVIEW possui ferramentas intuitivas facilitando a construção do código mesmo para programadores com pouca experiência. Com informações fornecidas pela própria NI (seminários online, apostilas, exemplos, etc.) permite então, que qualquer usuário possa desenvolver aplicações básicas. "

- Flavio Lori Grando, Universidade Tecnológica Federal do Paraná

O desafio:

Desenvolver um sistema de aquisição de dados para monitorar as variáveis físicas que influenciam na eficiência térmica de aquecedores solares planos. Tal sistema deve ser capaz de ler, processar, exibir e armazenar no computador os dados provenientes de 9 sensores analógicos.

A solução:

Utilizou-se a placa de aquisição NI USB 6259 a qual permite a leitura de todos os sinais ao mesmo tempo, sem a necessidade de conversão prévia. Os dados são transferidos ao computador via USB sendo gerenciados por um aplicativo desenvolvido em ambiente LabVIEW.

Introdução

O Aquecedor Solar de Baixo Custo (ASBC) é um modelo alternativo de coletor solar plano, que se caracteriza por custar cerca de 10% de um coletor convencional. Com isso surgem questões quanto à sua eficiência e viabilidade de investimento. Tais questões devem ser respondidas com o monitoramento do ASBC em tempo real durante 24h por dia, através de medições de radiação solar, vazão d’água, velocidade do vento, temperatura de entrada e saída dos coletores e temperatura ambiente. Os sinais são aferidos pela placa de aquisição e as informações são transferidas para um computador, sendo gerenciadas através do software LabVIEW.

 

Desenvolvimento

 O ASBC é constituído por placas de forro de PVC industrial quais possuem dimensões aproximadas de 60cmX120cm. As placas são alveoladas e permitem o fluxo de água no seu interior, sendo pintadas de cor preta fosca para melhor absorção do calor. Assim, com canos de PVC comum conectam-se as extremidades das placas ao reservatório térmico, posicionado a uma altura superior a da placa. Dessa forma tem-se o efeito termosifão, onde o calor produzido no interior do ASBC provoca o fluxo natural da água.

O arranjo experimental é composto por dois sistemas de aquecimento idênticos, diferenciando-se apenas nos coletores, onde são monitorados dois modelos diferentes de cada vez para testes comparativos. Tais sistemas consistem em um coletor alimentado por um reservatório comum de polietileno, interligados por tubos de PVC. Para isolamento do reservatório é utilizado uma camada de EPS seguida de uma cobertura em laminado de alumínio.

 

Sensores, condicionamento de sinais e aquisição

A temperatura de entrada e saída do coletor é obtida através das termorresistências PT100 introduzidas no encanamento. A vazão mássica da água é obtida através de um medidor de vazão eletromagnético ligado em série com encanamento do coletor. A radiação solar é obtida por meio de um piranômetro instalado no plano dos coletores e um anemômetro faz a leitura da velocidade do vento. O sensor LM35 faz o monitoramento da temperatura ambiente instalado abaixo da bancada. Como o arranjo experimental é composto por dois sistemas de aquecimento iguais, são utilizados dois medidores de vazão, quatro sensores PT100, um piranômetro, um anemômetro e um sensor LM35, totalizando nove elementos de medição. A placa de aquisição de dados e o computador ficam dentro do laboratório, assim os sinais provenientes dos sensores são enviados através de dois cabos blindados de 14m de comprimento.

O PT100 é um sensor de temperatura termorresistivo (RTD) qual responde com uma variação de 0,39Ω/ºC. Para extrair a informação desejada, injetou-se uma corrente elétrica na termorresistência para obtenção de um sinal de tensão em seus terminais. Isso também permitiu a utilização da função própria para medição de RTD’s disponível no LabVIEW, informando os parâmetros da corrente e do sensor, o valor retornado é dado em ºC. O LM35 apresenta uma saída de tensão linear relativa à temperatura com uma variação de 10mV/ºC. O sinal é condicionado para ser enviado via cabo até a placa, a qual fornece a alimentação ao circuito de condicionamento. O medidor de vazão fornece um sinal de saída correspondente a uma corrente de 4 à 20mA proporcional a vazão. Para medição bastou a ligação de um resistor shunt de modo a fornecer um sinal de tensão à placa, onde informa-se o valor do resistor no LabVIEW, o qual retorna o valor da corrente. O piranômetro fornece uma saída de tensão proporcional à radiação de entrada, onde a sensibilidade é de 71µV/W.m². Como a placa de aquisição possui alta impedância de entrada, a corrente que o piranômetro fornece a placa é nula, extinguindo problemas com queda de tensão no circuito. O Anemômetro utilizado no projeto possui um conjunto de conchas que gira em velocidade angular proporcional à velocidade do vento. O aparelho é alimentado com 5V fornecido pela própria placa de aquisição, respondendo com um sinal de frequência proporcional a velocidade do vento. Um pequeno defeito no aparelho produz pulsos com magnitude reduzida, não sendo reconhecido pelo contador da placa de aquisição. Dessa forma, utilizou-se um canal de medição de tensão, onde foi possível reproduzir o sinal em frequência com ótima fidelidade. A partir disso, uma máscara limita o sinal de entrada, produzindo um novo sinal com magnitude unitária em todos os pulsos, onde se utilizou um detector de picos e vales no próprio LabVIEW para obtenção do valor da frequência.

 

Aplicativo em LabVIEW

O aplicativo que monitora o sistema está instalado em um notebook com sistema operacional Windows XP, processador Intel Core 2 Duo 2GHz e 1GB de memória. Um VI foi criado para digitalização dos sinais, condicionamento virtual e conversão dos dados. Através de um único bloco expresso, faz-se a aquisição de todos os sinais ao mesmo tempo, onde se digitalizou um trecho dos sinais analógicos correspondente a 1 segundo. Em seguida os sinais digitalizados passam para a etapa de condicionamento virtual que consiste na filtragem e compressão de amostras. Por fim, as informações de tensão, corrente e frequência são convertidas nos dados desejados (radiação, temperatura, vazão, etc.). Um segundo VI foi criado para receber as informações provenientes do VI anterior, com a responsabilidade de gerenciar estas informações, enviando-as para cálculos em outros subVI’s, exibindo os resultados e armazenando as informações no computador. Os dados são salvos no formato texto em arquivos do bloco de notas. Cada linha de dados compreendem na data, horário e número de cada amostra somados aos 9 dados obtidos através de medição e mais 8 informações calculadas pelo aplicativo, poupando o trabalho de cálculos manuais.

 

Conclusão

O sistema completo incluindo os circuitos de condicionamento e a montagem das instalações elétricas, foi desenvolvido dentro do período de 6 meses. Onde o desenvolvimento do aplicativo levou cerca de 10% do tempo de desenvolvimento. Com uma comunicação entre hardware (placa de aquisição) e software (LabVIEW) bem desenvolvida, é possível transportar uma informação do meio físico para o software em questão de segundos. Além disso, o LabVIEW possui ferramentas intuitivas facilitando a construção do código mesmo para programadores com pouca experiência. Com informações fornecidas pela própria NI (seminários online, apostilas, exemplos, etc.) permite então, que qualquer usuário possa desenvolver aplicações básicas. Outra vantagem é facilidade de reparação e customização do código, pois é mais fácil depurar e encontrar erros na rotina. Assim, caso haja necessidade de alteração no código, o projetista consegue fazê-la mais rapidamente, como é o caso deste projeto, onde a placa NI USB 6259 foi adquirida visando este propósito, permitindo a inclusão de novos sensores para o monitoramento e controle de novos processos. Por estes motivos e a flexibilidade proporcionada pelo LabVIEW em conjunto com um hardware específico, fazem destes o padrão mais procurado em indústrias e laboratórios.

 

Informações sobre o autor:

Flavio Lori Grando
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Brazil