Instrumentação de um Túnel de Vento e Controle de Ensaios

Fábio H. de Godoi, Universidade São Judas Tadeu

"O maior desafio enfrentado foi integrar todas as informações disponíveis num único instrumento virtual, o que foi bastante facilitado pela forma como se dá o projeto de um sistema no LabVIEW. "

- Fábio H. de Godoi, Universidade São Judas Tadeu

O desafio:

Desenvolver uma ferramenta completa de hardware e software que permita medir os sinais presentes em um túnel de vento garantindo o controle de ensaios e o tratamento e o registro de dados coletados.

A solução:

Os diversos sensores presentes no túnel de vento têm seus dados coletados por uma placa de aquisição de sinais, sendo possível uma automatização de diversos componentes do equipamento, assim como uma operação do sistema com grande flexibilidade.

Autor(es):

Fábio H. de Godoi - Universidade São Judas Tadeu
Marcos V. Bido Gomes - Universidade São Judas Tadeu
Luis S. Neto - Universidade São Judas Tadeu
Vitor M. Serafim - Universidade São Judas Tadeu
Dr. Alexandre B. Campo - Universidade São Judas Tadeu
Ms. Celso Filipini - Universidade São Judas Tadeu

 

Resumo: O projeto consiste na construção e instrumentação de um túnel de vento e no desenvolvimento de sistema de aquisição de dados, supervisão e controle de ensaios para um corpo de prova aerodinâmico inserido em seu interior. Os componentes que compõem o sistema são: corpo do túnel de vento - com 2,8 metros de comprimento - módulo de supervisão e controle baseado na plataforma LabVIEW, um exaustor axial com potência 1/3 HP com rotação máxima de 1650 rpm com inversor e sensores para leitura de dados. Um conjunto de sensores do sistema mede grandezas em diversos pontos, tais como: temperatura e pressão - para verificar as condições internas do túnel de vento, velocidade - para análise do deslocamento de ar na área de teste - e deformação da estrutura em que está apoiado o corpo de prova (strain-gauges), devida à força provocada pelo deslocamento do ar que flui ao seu redor. A aquisição dos dados é feita através do programa criado na plataforma LabVIEW e a interface entre os sensores e o programa ocorre por meio de uma placa de aquisição USB 6211. Foram utilizados diversos Toolkits da plataforma LabVIEW, tais como:         Vision Acquisition, NI Diadem 2010, 3D Mesh Graph, Script linguagem C e outros.

 

Introdução

Diversas aplicações necessitam de ensaios que devem ser realizados em túneis de vento, como aquelas relacionadas à aeronáutica ou à automobilística. No entanto este equipamento possui grande complexidade e os dados necessários para que seu uso seja otimizado só podem ser obtidos através de diversos instrumentos de medição para as diversas grandezas envolvidas. A seguir é descrito o túnel de vento, propriamente dito, assim como os instrumentos e sistemas eletrônicos necessários para sua operação. Após a descrição da parte física, é apresentado o programa desenvolvido para monitoramento e operação do sistema.

 

O Túnel de Vento

O túnel de vento projetado pode ser dividido em três partes: cone de admissão, trecho reto e difusor, onde se encontra o exaustor. Cada uma destas partes possui sensores específicos, que devem ter seus dados medidos e tratados para que a análise do comportamento do corpo de prova colocado na seção de teste possa ser feita com a maior precisão possível.

 

A estrutura do túnel desenvolvido é do tipo não-realimentada, ou seja, as duas extremidades do túnel são abertas, o que não permite um controle da temperatura do ar que passa no interior do equipamento. No entanto esta estrutura minimiza a turbulência do ar que passa pelo trecho reto. A velocidade média do ar no interior do túnel de vento é de 12 m/s e a vazão volumétrica de ar através de uma seção de teste (300 mm x 250 mm) é de 0,9 m³/s.

 

Os sensores colocados no cone de admissão medem a pressão e a temperatura (termopar tipo K). O trecho reto possui um sensor de pressão absoluta de vazão de ar e também possui sensor de temperatura termopar tipo K. Para verificar a umidade relativa (%) na seção de teste foi utilizado o sensor da Honeywell modelo HIH-360.

 

O procedimento para coletar os dados para geração do perfil de velocidade consiste em medir uma informação no ponto mais baixo da seção de teste e “varrer” toda a área (XY) do eixo vertical até seu ponto máximo. Para cada ponto XY, tem-se um valor de velocidade (m/s) no eixo Z. Esta medição é feita através de um tubo de pitot tipo L ligado em um sensor de pressão diferencial. O sensor de pressão diferencial (LD 301 D2) fabricado pela Smar, possui um range de 1,25 a 50 mbar, é utilizado em conjunto com o tubo de pitot para levantar o perfil de velocidade de forma indireta na seção de teste do túnel de vento. Depois de realizado o procedimento de aquisição das velocidades no trecho reto, o sistema permite que sejam gerados dois gráficos independentes: um através do Mathscript e outro através da ferramenta 3D Mesh do LabVIEW.

 

  A medição de temperatura ao longo do túnel de vento é feita através de termopares tipo K, com diâmetro de 3.0 mm e comprimento de 80 mm. Este sensor é de uso genérico, tem um baixo custo, além de ampla faixa de operação (-200 à 1370ºC), tendo uma sensibilidade de aproximadamente 41µV/ºC. Ao longo do túnel tem-se um termopar medindo a temperatura em cada seção (Admissão, Trecho Reto e Difusor), indicando assim a variação da temperatura na extensão do túnel. Todos os sensores acima geram sinais que são lidos pela placa de aquisição de sinais USB 6211. Os strain-gages colocados no corpo de prova assim como os termopares colocados ao longo do túnel de vento têm seus sinais tratados por circuitos específicos antes da aplicação às entradas da placa USB.

 

Plataforma de Aquisição e Tratamento de Sinais

A aplicação desenvolvida no LabVIEW utiliza um módulo de aquisição de dados (DAQ) configurado para adquirir os dados da placa USB 6211. O painel frontal do sistema desenvolvido é de grande complexidade, utilizando diversas “abas” para permitir o acesso a cada módulo do sistema, como se pode ver na fig. 2.

 

Os dados adquiridos são apresentados no painel principal, mas em cada aba é possível visualizar informações adicionais, tais como: limites de segurança dos sensores, módulo para ensaios automáticos, captura de imagem na seção de teste, medição direta dos sinais digitais e analógicos para monitoramento do sistema, sistema de geração de gráfico 3D com perfil de velocidade, módulo de registro de dados, sistema para análise aerodinâmica do corpo de prova e sistema para geração de gráficos com dados dos ensaios.

 

Na figura 3 pode-se ver a janela com os limites de segurança a serem obedecidos durante a operação do sistema, de acordo com os ajustes do operador e na figura 4 é apresentada o relatório gerado pelo módulo Diadem para ensaios realizados com o sistema.

 

Comentários e Conclusões

A aplicação da plataforma de desenvolvimento de sistemas LabVIEW mostrou-se perfeita para a aplicação descrita. A quantidade de sensores envolvidos e o volume de dados adquiridos exigiam um sistema que permitisse a fácil manipulação das informações. Diversos recursos disponibilizados pela plataforma LabVIEW permitiram o desenvolvimento de um sistema flexível com recursos bastante úteis para o usuário do sistema. Desde a possibilidade de construir o perfil de velocidades na seção de testes, até a possibilidade de visualizar o corpo de prova durante o ensaio através de uma câmera web, possibilitaram a criação de um sistema complexo, mas que permite um uso bastante simplificado.

 

O maior desafio enfrentado foi integrar todas as informações disponíveis num único instrumento virtual, o que foi bastante facilitado pela forma como se dá o projeto de um sistema no LabVIEW. A possibilidade de desenvolver o instrumento trabalhando com código (Linguagem Gráfica) e interface com o usuário (Painel Frontal) permitiu a criação de um dispositivo integrado muito amigável.

 

Sem dúvida o desenvolvimento do projeto teria sido ainda mais simplificado se fosse possível utilizar módulos para compensação de junta fria e para tratamento de sinais de strain-gauges integrados ao próprio sistema de aquisição de dados, no entanto esse recurso não estava disponível para o projeto.

 

Biografia dos Autores:

Fabio Henrique de Godoi: Nasceu em 25 de março de 1985, Santo André - SP Brasil. É formado no ensino médio pela Escola EEPSG Tancredo Neves e técnico em Mecatrônica pelo SENAI “Armando Arruda Pereira”. Atuando na área de automação e projetos de painéis de baixa tensão. 

 

Marcos Vinicius Bido Gomes: Nascido em 05 de novembro de 1984, São Paulo - SP Brasil. É formado no ensino médio e técnico em eletrônica pelo Colégio São Judas Tadeu. Atuando na área de engenharia de aplicação em uma distribuidora de componentes eletrônicos.

 

Vitor Matos Serafim: Nascido em 8 de outubro de 1982, São Paulo - SP Brasil. Formado no Ensino Médio e Técnico em Eletrônica pelo Colégio Torricelli.  Formado em Eletrotécnica pelo SENAI “Hermenegildo Campos de Almeida”. Atuando na área de automobilística em centro de pesquisa e desenvolvimento de motores diesel da Cummins do Brasil.

 

Luiz Sanches Neto: Nascido em 17 de março de 1985, São Paulo – SP Brasil. Formado no ensino médio pela Escola São Teodoro de Nossa Senhora de Sion e Técnico em Eletrônica pela ETEC Prof. Horácio Augusto da Silveira. Atuando na área de revestimento técnico de cilindros em borracha como sócio-gerente da empresa: Sanborr Man. e Rep. de Maq. Ltda.

 

Informações sobre o autor:

Fábio H. de Godoi
Universidade São Judas Tadeu
Brazil

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