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CAP – Aula 3. 1
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Instrumentação e Controlo de Sistemas Térmicos
Mestrado em Climatização de Edifícios
CAP – Aula 3. 2
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CAP – Aula 3. 3
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Edifícios Inteligentes
CAP – Aula 3. 5
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Fala-se do Controlo Térmico o e o problema da qualidade do Ar
Muitas construções contêm produtos químicos que emitem vapores
Estes produtos são designados de COV – Compostos Orgânicos Voláteis
Nocivos para a saúde - a médio e longo prazo podem provocar doenças crónicas (Asma)
Crianças são mais vulneráveis. Respiram mais ar em proporção ao peso do corpo que um adulto. Sistema imunológico ainda em desenvolvimento
Tipos de Toxinas/Poluentes do ar interior:o tintas e solventeso vapores plásticos, resinas, borrachas, vernizes e isolantes (polietilino e polisatureno)o vapores de derivados de petróleoo pesticidas em aerossóis utilizados para pragas e plantaso colas de madeira
Solução:o Estruturao HAVACo Ventilaçãoo Vedação
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Conforto Higrométrico
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As condições de Conforto Térmico a que um ser humano está sujeito em determinado ambiente são regidas essencialmente pelos seguintes documentos:
• Norma ISSO 7730 (1994),
• Estudos realizados por Fanger - Dinamarca (1970)
Condução (3%)
Radiação (40%)
Convexão (27%)
Evaporação (30%)
Circulação de ArTrocas de “calor” através de:
• produção de calor pelo organismo (metabolismo)
• perda de calor por convecção/evaporação da respiração
• perda de calor por convecção do corpo
• perda de calor por radiação do corpo
• perda de calor por evaporação/dissipação do suor do corpo
portanto as grandezas físicas a monitorar/controlar são as relacionadas com as condições termo-higrométricas (termo-climáticas)
• ISSO-DIS 7726 (1996)
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Deste modo os principais sensores a utilizar são:
• sensores de Temperatura: medição da temperatura do ar, circuitos de insuflagem/retorno, águas quentes/fria utilizadas e dos circuitos de aquecimento/refrigeração
• sensores de Humidade: normalmente higrómetros – medição da humidade relativa, RH, das zonas submetidas a controlo
• sensores de Pressão: medição utilizada para determinação da velocidade dos ventiadores
• sensores de Fluxo: medição para regulação dos ventiladores (de retorno)
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Tipos de Controlo mais utilizados:
• Controlo ON-OFF: sistema em que os dispositivos assumem somente duas posições – ligado ou desligado
• Controlo de Passo: recorre a vários dispositivos de duas posições que são accionados sucessivamente de acordo com os objectivos – pretende um efeito próximo do Controlo Proporcional
• Controlo Proporcional: os dispositivos são actuados de um modo proporcional à diferença (Erro) entre o valor medido e o valor desejado (Set-Point). É regido segundo a equação
• Controlo Proporcional e Integral (PI): baseado no Controlo Proporcional ao qual é adicionado um termo relativo ao Integral do Erro Este termo tem como consequência: quanto maior for a duração temporal da existência do erro maior será o valor de saída de modo a tentar eliminar o Erro
• Controlo Proporcional-Integral-Derivativo (PID): baseado no Controlo PI, ao qual é adicionado um Termo Derivativo, cuja função é obter um controlo de carácter de antecipação dependente do comportamento (variação) do Erro.
• Controlo Adaptativo: em função da monitorização das grandezas tenta melhorar o desempenho das acções de controlo através do ajuste do parâmetros do controlador. Os critérios de melhoria dependem dos objectivos (Tempo de Resposta, Racionalização do Consumo Energético)
• Técnicas de Controlo Inteligente: baseadas em algoritmos de controlo derivados da inteligência Artificial como a Lógica Difusa, Algoritmos Genéticos, Redes Neuronais, …
0VeKV p +×=
0VteKeKV ip +∂+×= ∫
0VteKteKeKV dip +∂∂
×+∂+×= ∫
CAP – Aula 3. 10
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Objectivoo Análise do Comportamento térmico de edifícios em dias típicos de Verão e de Inverso
Metododologiaso Simplista
o métodos do tipo integral (PID)o Complexa
o métodos do tipo CFD (Computational Fluids Dynamics) o
Os CFDs consistem em utilizar métodos computacionais para a predição quantitativa das características de escoamentos, incluindo:
transferência de calor; transferência de massa (difusão, dissolução); mudança de fase (fusão, solidificação, ebulição, condensação);reacções químicas (combustão, oxidação);aspectos mecânicos (movimento de pistões, hélices, palhetas);tensões e deslocamento de sólidos imersos ou circundantes.
Validação do modelo
Aplicação a casos típicos de Verão e Inverno
http://www.fem.unicamp.br/~phoenics/Objetivo/cfdintro.htm
Estudo do Comportamento térmico de edifícios
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HVACIntelligent zone valves, duct actuators, furnaces, heat pumps, air conditioners, humidifiers, air cleaners, ventilators allow multiple zones and setbacks. Easy
installation, reconfiguration, remote diagnostics, and instant response to actual building conditions all enable better energy management resulting in lower cost,
reduced environmental impact and better comfort control.http://www.echelon.com/solutions/building/segments.htm
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Estratégias de Controlo & Tecnologias de Suporte
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Arquitectura + utilizada para HVAC
CAP – Aula 3. 15
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Controlo Fieldbus - CentralizadoControlo Centralizado
Controlo Fieldbus - Distribuído
Conceito de Embeddedo interligação de sensores dos aparelhos com o utilizadoro criação de unidades de supervisão
Conceito de Ubiquidade
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Controlo Distribuídoo assenta numa gama muito variada de aplicações e desenvolve-se de um modo paralelo às comunicaçõeso deferentes níveis de abstracção relacionadas com a integração e produção o conforme a filosofia de CIM – Computer IntegratedManufacturingo cada vez mais, recorremos a dispositivos inteligentes para realizar operações de controlo ou supervisão remotas
Barramentos de Campoo Sistema de comunicações com características de instalação, manutenção e operação simpleso Baixo custoo ligação de equipamentos industriais/processos de produção o redes digitais, bidireccionais, multiponto (broadcast)o topologia em barramento série / Modularidadeo dispositivos: PLC, transdutores, actuadores e sensoreso melhores que protocolos MAP – ManufactoringApplication Protocols
CAP – Aula 3. 17
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• Mainframe• Computadores Pessoais• Internet• Computação Ubíqua
Os participantes da rede estão a mudar
As regras são um pouco confusas• Os servidores processam serviços• Os desktops realizam serviços• Os clientes não são computadores
Novas entidades(não são computadores / limitados)
…… EvoluEvoluççãoão dasdas RedesRedes de de ComputaComputaççãoão
…… midlewaremidleware de computade computaçção distribuão distribuíídada
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Barramentos de alta velocidade e baixa funcionalidadeo CAN (Controler Area Netowrk) – Desenhado originalmente para a indústria automóvelo SDS (Smart Distributed System) – Barramento para a integração de sensores e actuadores baseado no CAN o ASI (Actuator/Sensor Interface) - Barramento para a integração de sensores e actuadores - Siemenso
Barramentos de alta velocidade e média funcionalidadeo DeviceNet – Allen Bradley – Baseado no CAN, inclui uma camada de aplicação orientada a objectoso LONWorks – Echelon –o BitBus – Intel -o DIN MessBus – Baseado no RS-232, barramento de instrumentação – Alemãoo InterBus-S – Aplicações de médio porte - Alemão
Barramentos para áreas de segurança intrínsecao HART o Profibus PA o WorldFIP
Barramentos de alta performanceo Profibuso WorldFIPo Fieldbus Foundation
CAP – Aula 3. 19
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GRANDEZAS A MONITORARo TEMPERATURAo HUMIDADE o VELOCIDADE DO VENTO o PRESSÃO DO ARo PRECIPITAÇÃOo SKY COVERING (RADIAÇÃO)
TEMPO REALo SOFTo FIRMo HARD
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Sensores
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SENSORES/TRANSDUTORESo FUNÇÃO
Detectar a alteração/mudança de Estado de da grandeza submetida a medição
fornecer um sinal eléctrico que permita quantificar a grandeza
o PASSIVOSprecisam de uma “Fonte de Alimentação
Externa”Saída – baseada numa variação (Resistência,
Capacidade)o ACTIVOS
são AutoalimentadosSaída – tensão, corrente (energia não Eléctrica energia Eléctrica)
AQUISIÇÃO DE DADOSo Técnicas de Observação
Time-Triggered: polling; RPCEvent-Triggered: mudança de Estado
o Condicionamento do sinal o Monitorização de situações de alarme ou mau funcionamento o Controlo: software/hardwareo Interface com o operador
CAP – Aula 3. 24
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Dispositivos que mudam o seu comportamento sob a acção de uma grandeza física, produzindo um sinal directa ou indirectamente um sinal que indica essa grandeza.
Tiposo Directamente - transdutoreso Indirectamente – alteram: resistência, capacitância, indutância – de uma forma mais ou menos proporcional.
CARACTERÍSTICAS PRINCIPAISo LINEARIDADE: grau de proporcionalidade entre o sinal gerado e a grandeza físicao FAIXA DE ACTUAÇÃO (GAMA): intervalo de valores da grandeza em que o sensor pode ser utilizadoo SENSIBILIDADE: determina a resolução da grandeza a monitoraro REPETIBILIDADE: estabilidade do sensoro TEMPO DE RESPOSTAo IMUNIDADE ÀS IMPUREZAS
CAP – Aula 3. 25
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GRANDEZAS A MONITORARo TEMPERATURAo HUMIDADE o VELOCIDADE DO VENTO o PRESSÃO DO ARo PRECIPITAÇÃOo SKY COVERING (RADIAÇÃO)
CAP – Aula 3. 26
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Sensores: TemperaturaTemperatura é uma das grandezas físicas mais medidas, seja no dia-a-dia das pessoas ou em processos industriais. Nesta página, algumas informações sobre os meios de medição mais usados, em especial os que permitem controle de processos, ou seja, produzem um sinal elétrico que tem relação com a temperatura.
TERMÓMETROS COMUNS:
São bastante conhecidos e, por isso, não são dadas muitas informações nesta página. Existem basicamente dois tipos:
Expansão de fluido: são os conhecidos termómetros de mercúrio ou outros líquidos como álcool.
Bimetálicos: bastante encontrados em indústrias, usam lâminas bimetálicas (dois metais de coeficientes de expansão térmica diferentes, unidos entre si), que se deformam pela acção do calor e accionam mecanismos com ponteiros para indicação do valor. A precisão não é das melhores.
Mudança de Estado: na realidade são pequenas fitas com materiais que mudam de aspecto sob determinadas temperaturas. Em geral a indicação é irreversível. Servem para informar se um equipamento ou produto não excedeu uma determinada temperatura no período em que ficou instalado.
OS Termómetros só servem para indicação de temperatura. Na prática não é viável a transformação da indicação em sinal eléctrico para controle de processo. A geração de sinais eléctricos em função da temperatura é feita por sensores térmicos.
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Sensores: Temperatura
São resistências sensíveis à temperatura. Os elementos resistivos são óxidos de metais como manganésio, níquel, cobalto, cobre, ferro, titânio.
TERMISTORES:
Tiposo PTC (Coeficiente Positivo de Temperatura)o NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura)
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Sensores: TemperaturaTERMISTORES – NTC
Mais usados na medição e controlo da temperatura
(não em processos industriais)
Dos sensores que fornecem à saída uma maior variação de sinal por variação da Temperatura
Relação Resistência-Temperatura (Equação de Steinhart & Hart)
( )3lnln1
RcRbaT
×+×+=
Parâmetro Valores
Resistência a 25°C 2252 ohms
Faixa de medição -80 a +120°C típico (250°C max)
Tolerância ±0,1 ou ±0,2°C
Estabilidade em 12 meses < 0,02°C a 25°C e < 0,25°C a 100°C
Constante de tempo < 1,0 s em óleo e < 60 no ar calmo
Auto-aquecimento0,13 °C/mW em óleo e 1,0 °C/mWno ar
Coeficientesa = 1,4733 10-3 b = 2,372 10-3 c = 1,074 10-7
Dimensões 2,5 x 4 mm
CAP – Aula 3. 29
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Sensores: Temperatura
Funcionamento: fenómeno da variação da resistência eléctrica dos metais com a temperatura
RTD – Resistivos; Termistores – Óxidos e semicondutores
Platina, níquel, ferro. (ligas dos mesmos)
Variação da Resistência Eléctrica-Temperatura (fio metálico)
Pequena variação de sinal
RTD – (Resistance Temperature Detector)
Tiposo RTD – fio metálico enrolado em espiral dentro de um tubo cerâmicoo RTD – filme – fio metálico depositado sobre uma película cerâmica
( )
metaldoescoeficientcbaCaaresistênciR
tctbtaRtR
:,,º0:
1)(
0
320 ×+×+×+=
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Sensores: TemperaturaRTD – (Resistance Temperature Detector)
Especificação térmica
Impurezas – perturbam o coeficiente de temperaturas
Metal Faixa ºC Alfa Observações
Cobre Cu -200/260 0,00427 Baixo custo
Molibdénio Mo -200/200 0,00300 e 0,00385 Opção de menor custo p/ Pt em faixa limitada
Níquel Ni -80/260 0,00672 O custo é baixo mas a faixa é limitada
Níquel-ferro Ni-Fe
-200/200 0,00518 Baixo custo
Platina Pt -240/660 0,00385 e 0,00392 Boa precisão( )[ ]CRRR /º1
100 0
0100
×−
=α
RTD de COBREo Raramente usada (falta de padronização)o α = 0,00427; 0ºC < T < 200ºCo Relação Resistência – Temperatura (Simplificada)
( )00672,01)( 0
==×+=
αataRtR
RTD de NÍQUELo baixo custoo menor resistência à corrosão; menos estável a altas temperaturao Relação Resistência – Temperatura (com Elevada Precisão)
o Relação Resistência – Temperatura (Simplificada)
( )6420 1)( tftdtbtaRtR ×+×+×+×+=
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Sensores: Temperatura Metal Faixa ºC Alfa Observações
Cobre Cu -200/260 0,00427 Baixo custo
Molibdénio Mo -200/200 0,00300 e 0,00385 Opção de menor custo p/ Pt em faixa limitada
Níquel Ni -80/260 0,00672 O custo é baixo mas a faixa é limitada
Níquel-ferro Ni-Fe
-200/200 0,00518 Baixo custo
Platina Pt -240/660 0,00385 e 0,00392 Boa precisão
RTD – (Resistance Temperature Detector)
RTD de NÍQUEL-FERROo Aplicações em que o baixo custo é fundamental
RTD de MOLIBDÉNIOo configuração em filmeo película é de óxido de alumínio
RTD de PLATINAo Metal mais usadoo resistência à corrosão e estabilidade a altas temperaturaso Relação Resistência – Temperatura (modificada)
o Existem dois Padrõeso PT100
o USA
( )( )320 1001)( ttctbtaRtR ×−×+×+×+=
atemperaturdegamadasdependentecbaRC
:,,100;/º100385055,0 0 Ω==α
12
7
30
1016696,41086863,51097869,3
129,98;/º10039200,0
−
−
−
−=
=
=
Ω==
cba
RCα
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Sensores: TemperaturaTERMOPARES
Funcionamento
Gera uma tensão eléctrica – que tem relação com a diferença de temperaturas entre as junções dos metais –EFEITO DE SEEBECK
Existe uma força electromotriz gerada pelo gradiente da temperatura ao longo dos fios – EFEITO DE PELTIER
o relação quadrática com a temperatura
o responsável pela relação não linear
Vantagens
Gera a sua própria tensão
não precisa de corrente de excitação (não háautoaquecimento)
simples e robustos
imunes a vibrações
gama de funcionamento elevada
Desvantagens
baixo nível do sinal de saída (50mV)
não linearidade
compensação da temperatura da junção de referência
necessita de blindagens (devido a interferências)
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Sensores: TemperaturaTERMOPARES
COMPENSAÇÃO
Gera uma tensão eléctrica – que tem relação com a diferença de temperaturas entre as junções dos metais
Existe uma tensão gerada pelo gradiente da temperatura ao longo dos fios
o relação quadrática com a temperatura
o responsável pela relação não linear
Vantagens
Gera a sua própria tensão
não precisa de corrente de excitação (não háautoaquecimento)
simples e robustos
imunes a vibrações
gama de funcionamento elevada
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Sensores: TemperaturaCIRCUITOS INTEGRADOS
FUNCIONAMENTO
aproveitam as propriedades dos semicondutores que variam com a temperatura
fornecem uma tensão/corrente de saída linear
o mesmo a baixas temperaturas
o sinal razoável
Vantagens
pode obter-se uma leitura directa da temperatura numa forma digital, utilizando uma ADC
como os sensores IC podem ter memória, podem ser calibrado cuidadosamente e operar em ambientes multi-sensor
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Termopar
RTD
Termistor
Sensor Integrado
vantagens
• Auto-alimentado • Simples • Robusto
• Baixo custo • Grande variedade • Grande faixa de
temperatura
• Mais estável • Mais preciso
• Mais linear que o termopar
• Altos níveis de saída• Rápido
• Possibilidade de medida de
resistência a dois fios
• Mais linear de todos • Altos níveis de saída
• Baixo custo
desvantagens
• Não linearidade • Baixa tensão gerada • Necessidade de
referência • Pouco estável • Pouco sensível
• Alto custo • Necessidade de
fonte de corrente • Pequena variação de
resistência • Pequeno valor de
resistência absoluta • Auto-aquecimento
• Baixa linearidade • Faixa de
temperatura limitada• Frágil
• Necessidade de fonte de corrente
• Auto-aquecimento
• T < 200 oC • Necessidade de fonte de alimentação
• Baixa velocidade • Auto-aquecimento • Configurações
limitadas
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Sensores: LuzParte fundamental em sistemas de controlo de luminosidade como os relés fotoeléctricos.
Convertem a Energia de Radiação Luminosa em sinais eléctricos Tipos
o LDR (Light Dependent Resistor):o Foto-díodo: o foto-transístor:
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Sensores: LuzLDR
Funcionamento
a sua resistência diminui ao ser iluminado
constituição
o Material semicondutor – Sulfeto de Cádmio CdS
o Fotoresistências – resistências construídas com materiais fotocondutores – quase isoladores em que a luz provoca uma libertação de electrões tornando-os condutores
oA energia luminosa desloca electrões da camada de valência para a camada de condução
o MΩ (Escuro) – centenas de Ω (luz solar directa)
Utilização
relés fotoeléctricos, fotómetros e alarmes
Desvantagens
resposta muito lenta
9,07,0; ≤≤=
×= −
alhq
da
LaR
veτη
α
A – Constante dependente do Material
L – Quantidade de iluminação (Lux)
CAP – Aula 3. 38
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Sensores: LuzFoto-Díodo
Dispositivo semicondutor em que a junção é exposta à luz
A energia luminoso desloca os electrões para a banda de condução
Vantagens
o dezenas de mA com alta luminosidade
o resposta rápida
o foto-díodos para todas as gamas de comprimento de onda (Infravermelho ultrvioleta)
Utilização
como sensor em aplicações de controlo remoto, sistemas de fibra óptica, leitores de código de barras, scanners, canetas ópticas
CAP – Aula 3. 39
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Sensores: LuzFoto-Transístor
Transístor com a junção base-emissor exposta à luz
funciona como um foto-díodo
dezenas de mA com alta luminosidade
velocidade inferior ao foto-díodo
Utilização
as mesmas aplicações do foto-díodo – excepto em fibra óptica
CAP – Aula 3. 40
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Sensores: PressãoSensor de Pressão – TIPO DIAFRAGMA
Constituição
disco, ao qual se aplica a pressão a um dos lados
a Força exercida – provoca deformação – método de Bourdon
Método da Capacidade Variável
Funcionamento
baseado na deformação da membrana
Método de Medição
formar um condensador em que a membrana está ligada a uma das armaduras
a deformação da membrana provoca uma variação da capacidade do condensador
a variação da capacidade do condensador é transformado num sinal eléctrico – tensão; corrente
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Sensores: PressãoSensor de Pressão – FOLE
Constituição
fole metálico
deformação – função – Pressão Aplicada
Pressão Diferencial
Funcionamento
Movimento em torno de uma posição central
lâmina de aço colada a extensómetros
Método de Medição
Pressão Relativa – uma das câmaras for ligada à atmosfera
Pressão Absoluta – se na câmara de referência for feito vácuo
CAP – Aula 3. 42
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Sensores: Humidade RelativaCaracterística da grandeza – Humidade Relativa
A humidade do Ar – quantidade de vapor de água que ele contém
influencia – conforto, eficiência laboral
Constituição
película (film) – revestida de ambos os lados por uma fina camada de ouro – “air-permeable”
formando um condensador
Funcionamento
Alteração da humidade relativa do ar provoca uma alteração do dieléctrico alteração da capacidade
SENSOR CAPACITIVO
CAP – Aula 3. 43
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Sensores: Humidade RelativaRHIC – Relative Humidity Integrated Circuit
Característica da grandeza – Humidade Relativa
A humidade do Ar – quantidade de vapor de água que ele contém
influencia – conforto, eficiência laboral
Constituição
película (film)
Eléctrodos de Platina ( 1 - “air-permeable”)
formando um condensador de três camadas
Funcionamento
Alteração da humidade relativa do ar provoca uma alteração do dieléctrico alteração da capacidade
absorção do vapor de água (humidade)
A 1ª camada funciona como protecção contra impurezas e sujidade evitando a contaminação do sensor
utiliza uma RTD para compensação em temperatura
SENSOR CAPACITIVO - RHIC
CAP – Aula 3. 44
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Sensores: Velocidade/CaudalAnemómetro
Característica da grandeza – Velocidade do Ar
Constituição
baseado num Termistor
Mantido a Temperatura constante (120ºC)
Funcionamento
Baseia-se na medida da corrente Eléctrica necessária para manter essa temperatura durante a passagem do ar
Também fornece a Temperatura ambiente
PARÂMETROS UNIDADES MÉTRICAS UNIDADES INGLESAS
Faixa de velocidade 0 a 2 m/seg0 a 15 m/seg0 a 30 m/seg
0 a 400 pés/min 0 a 3.000 pés/min 0 a 6.000 pés/min
Faixa de temperatura 0 a 80°C 32 a 176°F
Exatidão da velocidade a 20°C e 1.013 mbar (68°F e 30” Hg)
±2% fundo da escala ±1 dígito
Exatidão da temperatura ±1°C ±1 dígito ±1°F ±1 dígito
Capacidade da memória 99 leituras coincidentes de velocidade e temperatura
Saída analógica 0 a 1 Volt - podendo ser selecionado entre 0,5 V e 2 V sob pedido
CAP – Aula 3. 45
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CAP – Aula 3. 46
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Sensores: Velocidade/CaudalAnemómetro -OUTROS
Característica da grandeza – Velocidade do Ar
TUBO de PITOT
Consiste em dois tubos concêntricos curvados em forma de L
Baseado no efeito da pressão exercida pelo ar em movimento
Auxílio de um sensor de pressão diferencial
PÁS
contadores/encoders
Termoanemómetros
medem a velocidade de um fluído através da detecção das trocas de calor a partir de um sensor electricamente aquecido e um em escoamento.
CAP – Aula 3. 47
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Leitura Complementar
CAP – Aula 3. 48
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Profibus DP (Decentralized Periphery)o sensores/actuadores ligados a processadores ou PLCo EIA RS-485
Profibus PA (Process Automation)o Controlo de Processoso elevado grau de segurança intrínsecao IEC 11158-2
o comunicação síncrona entre sensoreso linha de alimentação (4-20mA)
Profibus FMS (Fieldbus Message Specification)o comunicação entre células ou equipamentoso utilização em conjunto com o TCP/IP para ligação ao nível do Processoo getão distribuídao serviços MMS (ISO 9506)
www.profibus.com
CAP – Aula 3. 49
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http://www.interbusclub.com/en/index.html
CAP – Aula 3. 50
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• Fiabilidade– Número Reduzido de Interligações – Elevadas capacidades de Diagnóstico
• Performance– Estratégias de Controlo Avançadas– Knowledge-Based Paradigms
• Custo– Cablagem Reduzida– Modelo Object-Oriented
• HistoryBase Technology developed by Allen-BradleyIntroduced March, 1994Technology transferred to ODVA in April, 1995
• HistoryBase Technology developed by Allen-BradleyIntroduced March, 1994Technology transferred to ODVA in April, 1995
• TechnologyCAN messaging (data link layer - ISO 11898 and 11519-1)DeviceNet application layer designed for industrial automation
• TechnologyCAN messaging (data link layer - ISO 11898 and 11519-1)DeviceNet application layer designed for industrial automation
• Bus AddressingMaster/SlaveMulti-MasterPeer-to-PeerMulti-Cast (one to many)Change-of-State options (exception-based)
• Bus AddressingMaster/SlaveMulti-MasterPeer-to-PeerMulti-Cast (one to many)Change-of-State options (exception-based)
http://www.odva.org
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http://www.fieldbus.org
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http://www.worldfip.org
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The major elements of LONWORKS are: • LonTalk protocol • Neuron chips • LONWORKS transceivers • Network management and applications software
The LonTalk Protocol The LonTalk protocol is a collection of services that supports reliable communication among nodes and makes efficient use of the communications medium. Conformance with the LonTalk protocol provides three primary benefits:
1) Reliability -The LonTalk protocol supports end-to-end acknowledgments with automatic retries.2) Variety of communications media -
• Twisted pair • Power line (powered or unpowered) • Radio frequency • Coaxial cabling • Fiber optics
3) Response time 4) Low product cost5) Interoperability
http://www.echelon.com
CAP – Aula 3. 54
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Smart Distributed System (SDS)Honeywell describes their Smart Distributed System protocol in this way:
The Smart Distributed System is a bus system for intelligent sensors and actuators that streamlines the system installation process and empowers your inputs and outputs to operate at levels you never thought possible. Over a single 4-wire cable, Smart Distributed System can interface up to 126 individually addressable devices. These intelligent sensor and actuator devices do much, much more than just turn on and off.
Over a single 4-wire cable, Smart Distributed System can interface up to 64 nodes with a maximum of 126 addresses. These intelligent sensor and actuator devices do more than just turn on and off. Smart Distributed System devices have advanced device-level functions, system and device diagnostics.
http://www.honeywell.com
CAP – Aula 3. 55
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CANopen was pre-developed in an Esprit project under the chairmanship of Bosch. In 1995, the CANopen specification was handed over to the CAN in Automation (CiA) international users’ and manufacturers’ group. Originally, the CANopen communication profile was based on the CAN Application Layer (CAL) protocol. Version 4 of CANopen (CiA DS 301) is standardized as EN 50325-4.The CANopen specifications cover application layer and communication profile (CiA DS 301), as well as a framework for programmable devices (CiA 302), recommendations for cables and connectors (CiA 303-1) and SI units and prefix representations (CiA 303-2). The application-layer as well as the CAN-based profiles are implemented in software.
CANopen unburdens the developer from dealing with CAN-specific details such as bit-timing and implementation-specific functions. It provides standardized communication objects for real-time data (Process Data Objects, PDO), configuration data (Service Data Objects, SDO), and special functions (Time Stamp, Sync message, and Emergency message) as well as network management data (Boot-up message, NMT message, and Error Control).
http://www.can-cia.org/canopen/
CAP – Aula 3. 57
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The Industrial Ethernet Revolution
The industrial Ethernet movement evolved from the realization that Ethernet products designed for a comfortable, well-controlled office setting were not suitable for use in harsh, less predictable industrial environments. The main reason for this is that commercial Ethernet equipment cannot meet the high reliability requirements demanded by industrial applications. In addition, industrial environments can be extremely hot, or unbearably cold, so that specially designed, more robust network equipment is required.
When choosing which Ethernet equipment can best fulfill the requirements of your industrial application, and to ensure that your entire industrial system keeps running smoothly, you should look for industrial Ethernet products that have the following features: • High reliability compared to office Ethernet products. • Redundant power inputs to prevent single power failure. • Support for ring topology to provide a redundant backup path. • The ability to withstand extreme temperature conditions, such as from -40°C to 75°C. • A rugged, high-strength case to keep out harmful substances. • Certification by industry regulatory agencies. • The ability to withstand shock, drop, and vibration conditions.• Line-swap fast recovery that responds when devices change their port position
http://www.moxa.com/product/about_Industrial_Ethernet.htm
CAP – Aula 3. 58
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AS-Interface Network Highlights
Technology Developer AS-i Consortium
Year Introduced 1993
Openness Multiple vendors
800+ products, 150 Vendors
Type of Network Sensor Bus
Physical Media 2-wire cable (flat or round)
Network Topology Bus, Ring, Tree, Star
Maximum Devices
- v2.0 31 nodes (or 248 I/O points)
- v2.1 62 nodes (or 434 I/O points)
Maximum Distance
- Maximum Distance 100 meters
- Maximum Distance with repeaters (max. of 2 repeaters can be used) 300 meters
Communication Methods - Master/Slave with cyclic polling
- Manchester Bit Encoding implemented via Alternating Pulse Modulation (APM)
The AS-i (Actuator Sensor Interface) protocol was created in Germany in 1994 by a consortium of factory automation suppliers. Originally developed to be a low-cost method for addressing discrete sensors in factory automation applications, AS-i has since gained acceptance in process industries due to its high power capability, simplicity of installation and operation, and low cost adder for devices.
Each AS-i segment can network up to 31 devices. This provides for 124 inputs and 124 outputs, giving a maximum capacity of 248 I/O pernetwork on a v2.0 segment. The AS-i v2.1 specification doubles this to 62 devices per segment, providing 248 inputs and 186 outputs for a total network capacity of 434 I/O points.
http://www.as-interface.com
CAP – Aula 3. 59
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EstruturaA estrutura do protocolo BITBUS pode ser de vários tipos: • Básica: estrutura lógica do tipo mestre-escravo. • Árvore: emprega repetidores para longas distâncias, suportados por um único barramento (os repetidores não transmitem o sinal de clock). • Árvore Multi-nível: utiliza a topologia escravo-mestreo para formar sub-barramentos com vários níveis. Cada nível pode operar a uma velocidade própria.
Fieldbus BITBUS
Speed 375 kbits/s
Max # nodes with repeaterswithout repeaters
25032
Max distance with repeaterswithout repeaters
13.2 km max1.2 km max
Arbitration Master/slave
Cable type Twisted pair
Header/Data size 1 to 13 or 52 bytes
Major benefits Large user baseNodes programmable
Primary applications Intelligent I/O modulesProcess control
Mestre
Mestre Mestre
Escravo Escravo
Escravo
Primeiro nível
Segundo nível
http://www.bitbus.org
CAP – Aula 3. 60
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Topology is star and bus or a mixture. Cable type is RG-62 A/U coaxial (93 ohm), UTP or fiber-optic. A network can use any combination of this media. Connectors used include BNC, RJ-45, and others. It passes tokens passing for media access. Maximum segment length is 600 meters with RG-62 A/U, 121 meters with UTP, 3485 meters with fiber-optic, and 30 meters from a passive hub. The specification is ANSI 878.1. It can have up to 255 nodes per network. The speed is 2.5 Mbps. ARCnet Plus has operating speeds approaching 20Mbps.
ARCnet - Attached Resource Computer Network
ARCNET (ARCnet, an acronym from Attached Resource Computer NETwork) is a local area network (LAN) protocol, similar in purpose to Ethernet or Token Ring. ARCNET was the first widely available networking system for microcomputers and became popular in the
FEATURES• Deterministic Performance - Users Can Calculate the Worst Case Node to Node Message Time• Logical Ring - Nodes Automatically Find Their Neighbor to Create a Ring• Automatic Reconfiguration - A New Node Joins the Ring Automatically Without Software Intervention• Broadcast and Directed Messages• Multi-Master with Automatic Token Generation• Cabling Options - Coaxial, Fiber, EIA-485 Twisted Pair• High Speed - Standard 2.5 Mbps, Optionally 19 kbps to 10 Mbps• Low Cost Chips• Low Protocol Overhead - 3 or 4 Bytes—Good Usage of Available Bandwidth• Variable Packet Size - 0 to 507 Bytes• Bit Rate Scalable up to 10 Mbps—Grows with Your Application• High Noise Immunity• Easy/Simple Manageable Technology—No Special Development Tools Required
1980s office automation tasks. It has since gained a following in the embedded for systems market, where certain features of the protocol are especially useful.
http://www.arcnet.com
CAP – Aula 3. 61
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http://www.controlnet.org
CAP – Aula 3. 62
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http://www.hartcomm.org