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RESUMO

Este artigo apresenta uma alternativa no controle de processos industriais que

realizam a mistura de fluidos através de bombas centrifugas e sensores de vazão,

alienando eficiência a baixo custo, utilizando um CLP como controlador, visto que o

mesmo pode ser utilizado para todo controle de uma linha de produção complexa e

neste caso é utilizado apenas duas entradas e duas saídas, oferecendo uma nova

aplicação a produtos já existentes, para demonstração do processo foi utilizada a

bancada da FESTO DIDATC MPS-PA e o CLP STEP7 300 SIEMENS 313C disponível

na Faculdade de tecnologia FATEC GARÇA, onde será realizada a mistura de dois

líquidos diferentes em proporções desiguais obtendo um blend. O controle é realizado

através da quantidade de fluxo movimentado de cada substancia. Tendo em vista que

este processo industrial foi reproduzido no ambiente acadêmico possibilita o

desenvolvimento e aprendizado de profissionais da área.

Palavras chave: bombas centrífugas, sensores de vazão, CLP.

ABSTRACT

This paper presents an alternative for the control of industrial processes that perform

the mixing of fluids through centrifugal pumps and flow sensors, disposing efficiency at

low cost, using as a PLC controller, since it can be used for all control line complex

production and in this case is used only two inputs and two outputs, offering a new

application for existing products, for demonstration of the process was used countertop

DIDATC FESTO MPS and PA-300 SIEMENS STEP7 PLC 313C available in the

Faculty of technology FATEC GARÇA, Where will the mixture of two different liquids

in unequal proportions obtaining a blend. As the control performed by the busy rate of

flow of each substance. Given that this manufacturing process was reproduced in the

academic environment enables the development and learning professionals.

Keywords: centrifugal pumps, flow sensors, CLP

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1. Introdução

O Brasil vive um momento de grande avanço tecnológico, impulsionado pelo

setor alimentício que hoje representa 9% do Produto Interno Bruto (PIB) e teve um

crescimento de 12,6% no ano de 2013 que se deve ao crescimento da população e

redução da taxa de pobreza, também com a descoberta e exploração do Pré-sal que

receberá um investimento de R$52,2 bilhões até 2017, um aumento no consumo de

produtos petroquímicos em 7% para este ano frente ao aumento da frota nacional, e

principalmente o setor sucroalcooleiro já que o Brasil é o maior produtor e consumidor

de açúcar e etanol do mundo que tem como estimativa de crescimento anual de 9% para

os próximos cinco anos. O que requer uma indústria moderna e competidora frente às

potencias mundiais que disputam esses segmentos, por ser um país em desenvolvimento

a necessidade das indústrias em acompanhar esse crescimento torna-se cada vez mais

clara e a modernização e criação de novos métodos e formas mais eficientes e precisas

para atender esta demanda (REYNIER, 2013).

Nos principais processos de controle de fluidos utilizando um sensor de fluxo

podemos utilizar controladores, controladores lógicos programáveis (CLP’s), ou até

mesmo software supervisório. Os controladores funcionam de forma simples, eles

apenas recebem estímulos dos sensores que podem ser de forma analógica ou digital e

controlam uma saída de forma que essas informações podem ser vistas em seu display

que normalmente são displays de sete segmentos. Neste tipo de controladores a forma

de controle é limitada e sem muitos recursos. Já com CLP’s é possível por meio de

dados em sua programação o total controle dessa variável recebida pelo sensor, sendo

analógica ou digital o CLP consegue realizar uma infinidade de outras ações através da

informação recebida, além de se ter muito mais precisão e confiabilidade no

processamento dessa informação (JUNIOR, 2011).

Um software supervisório nada mais é que a interação entre sensor, CLP e um

computador, possibilitando dessa forma a visualização do que está acontecendo e a

possibilidade de alteração ou inserção de novas informações a este controle, por

exemplo, numa mesma máquina onde se produzem dois tipos de receitas diferentes

pode se alterar a quantidade de um dos fluídos que sejam comuns as duas receitas, sem

grandes dificuldades. (JUNIOR, 2011)

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1.1 Objetivos

Este artigo propõe uma forma de controle de um processo industrial que

envolve soluções tendo em vista a utilização de tecnologia e ênfase em sua precisão,

custo e viabilidade. Espera se com este projeto apresentar uma forma para o controle

dessas soluções que seja eficiente e que atenda os requisitos exigidos na indústria.

1.2 Justificativa

Este tema foi abordado no intuito de demonstrar um processo já existente na

indústria e a possibilidade de melhorá-lo, dando assim condições para o

treinamento e desenvolvimento de profissionais da área.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste item será descrito todos os conhecimentos que foram necessários para o

desenvolvimento do trabalho. Apresenta-se a descrição de processos e produtos que

servem de base para o controle e movimentação de fluidos no ambiente da indústria.

2.1. Controle de Fluídos

Para TORRES (2013) a vazão é considerada geralmente a variável mais

importante dentro do território industrial. Além de estarem ligados com a qualidade dos

produtos a ser produzida, também esta ligada ao custo desses produtos, da matéria-

prima e os demais produtos que serão adicionados numa mesma etapa do processo.

A vazão também é utilizada como set point operacional de equipamentos

industriais de alto custo e elevada importância, tais como, geradores de energia

convencionais, motores a combustão, turbo geradores de energia elétrica e geradores de

vapor. Com a vazão dentro do set point, esses equipamentos irão operar de maneira

satisfatória, sem perdas, sem erros e dentro dos padrões certificados. Isso garante o

funcionamento correto desses equipamentos e ajuda a prolongar sua vida útil, pois se a

vazão de consumo de um gerador não está de acordo com o set point, com certeza ele

deve estar com algum problema que precisa ser sanado o quanto antes (TORRES,

2013).

2.2. Mistura de Fluídos

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Nas indústrias é comum encontrar setores que necessitem de movimentação de

soluções líquidas e mistura de produtos, isso acontece, pois estes líquidos chegam

normalmente de forma in-natura e em grandes quantidades e precisam ser dosados,

misturados gerando assim novos elementos químicos com outras propriedades e para

outros fins. Indústrias de alimentos e bebidas são as que mais utilizam a mistura de

fluidos, é comum a mistura de malte e lecitina, por exemplo, na produção de biscoitos,

ou até mesmo de água com corantes e acidulantes na produção de refrigerantes

(OLIVEIRA, 2013).

Para obtenção destes novos elementos não basta apenas à mistura de dois

componentes de forma grosseira, é necessário que se tenha quantidades exatas. Segundo

Cavalcanti (2008) para o controle dessas misturas são utilizadas balanças, bombas

peristálticas sensores de nível e sensores de fluxo, este último, para o controle de

líquidos apresenta-se bem eficiente desde que seja observada sua precisão e forma de

leitura.

2.3 Sensores de fluxo

Segundo Trielli (2010), sensor de fluxo medidor de vazão é todo dispositivo que

permite, de forma indireta, determinar o volume de fluido que passa através de uma

dada seção de escoamento por unidade de tempo. O princípio de funcionamento de um

medidor de vazão pode ser baseado em um dos seguintes fundamentos:

- Pesagem;

- Efeito da força de arrasto;

- Equação da Energia.

a) Pesagem:

Para Trielli (2010) a pesagem baseia-se no fato de que a vazão pode ser

determinada a partir do fluxo de massa que atravessa uma seção durante o intervalo de

tempo. Os instrumentos necessários para efetuar este tipo de medição são uma balança e

um cronômetro. O método apresenta como restrições:

- a necessidade de se desviar o fluxo;

- a medição não é instantânea, isto é, requer tempo para que uma amostra de fluido seja

coletada.

b) Efeito da força de arrasto:

Baseia-se no fato da força de arrasto ser proporcional ao quadrado da velocidade

média do escoamento na seção. Um dispositivo que emprega este método é denominado

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“Rotâmetro”. Conforme é mostrado na Figura 01, o rotâmetro é constituído por um tubo

transparente cônico graduado, por onde escoa o fluido, e por um flutuador (mais pesado

que o fluido) que se posiciona dentro do tubo cônico em conformidade com o valor da

vazão. (TRIELLI, 2010).

Figura 01: Esquema do Rotâmetro

Fonte: http://sites.poli.usp.br/

c) Equação da Energia

Conforme Trielli (2010), a equação da energia consiste em se alterar a seção de

escoamento para que sejam verificadas variações nos termos da equação da energia

aplicada entre estas seções de cada tipo de medidor. Dentre os medidores de vazão que

empregam este fundamento destacam-se:

c1) Vertedouro: é empregado para medição de vazão em canais abertos. Consiste na

redução da seção de escoamento através da introdução de uma placa vertical com a

configuração mostrada na Figura 2. (TRIELLI, 2010).

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Figura02: Esquema simplificado do escoamento num vertedouro.

Fonte: http://sites.poli.usp.br/

2.3.1 Sensor de fluxo escolhido

Fabricado em PVDF (fluoreto de polivinilideno), o Sensor IR-Opflow é um

medidor de vazão volumétrica preciso. O líquido de entrada é forçado a um movimento

de torção por superfícies em espiral moldadas na seção de entrada. Isso faz com que um

rotor em miniatura gire praticamente livre de atrito conforme mostra a Figura 03. Cada

vez que o rotor gira, as pás interrompe um feixe de luz infravermelha, gerando uma

série de impulsos que pode ser medido. A precisão do RI-Opflow não é influenciada

tanto pela pressão ou variações de volume. O design do rotor evita que bolhas de ar ou

gás fiquem presas no tubo de fluxo, fazendo do Sensor de vazão IR-Opflow não apenas

robusto, mas também extremamente preciso. (TECFLOW INTERNATIONAL).

Figura 03. Vista em corte da estrutura do sensor

Fonte: http://www.tecflow.nl/

2.4 Controladores lógicos programáveis

Os Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) são computadores de tamanho

reduzido projetado para o ambiente industrial, sendo assim são equipamentos resistentes

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a toda hostilidade que possa ocorrer numa indústria como altas temperaturas, umidade,

poeira e etc (JUAREZ, 2010).

Segundo Felipe (2010) são ferramentas muito importantes no controle de

processos industriais, pois, processam um grande número de entradas (sensores) e com

essas informações controlam diversas saídas (atuadores), são como cérebros capazes de

tomar uma infinidade de decisões desde que programados para isso, desde processos

simples como o controle de um motor até processos industriais complexos como uma

linha de produção de automóveis, isso torna o CLP indispensável em qualquer processo

industrial moderno. De uma forma bem grosseira podemos descrever a sequencia lógica

de funcionamento de um CLP de acordo com a Figura 04.

Figura 04: Fluxograma de um processo lógico

Fonte: clpredes.wordpress.com

Todo CLP pode ser dividido em três partes básicas, a fonte de alimentação,

central de processamento da unidade (CPU) e blocos de entradas e saídas E/S (ou do

inglês do inputs/outputs I/O). A fonte de alimentação para um CLP normalmente trata-

se de uma fonte chaveada de 24Vcc, esta serve para a alimentação dos blocos de

entradas e saídas e a CPU. A CPU pode ter diversas formas e naturezas, alguns CLP’s

utilizam micro controlador, que era a forma mais usada antigamente, mas com o avanço

e criação de programas e comandos mais complexos muitos CLP’s hoje utilizam

microprocessadores como os de computadores mudando apenas a forma de construção.

Os blocos de entradas e saídas são por onde o CLP recebe e envia informações, estas

podem ser analógicas ou digitais, existem blocos que mesclam estes dois tipos de

entradas e saídas, um bloco contém normalmente somente entradas ou saídas

(CAMARGO, 2010).

Para que um CLP atue como tal, é necessário que se tenha uma programação,

esta, normalmente é feita através de um software onde se desenvolve o programa e

depois se faz o download para o equipamento. (CAMARGO, 2010).

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2.4.1 CLP Siemens S7

O CLP da Siemens do modelo Step 7 ou comumente chamado de S7, trata se de

um CLP bem robusto e eficiente, mesmo nesta especificação possuem alguns modelos

que se diferenciam pelo número de blocos entradas e saídas e pelo seu tamanho físico

que embora comparado aos seus antecessores seja bem mais compacto (FRANCHI,

2010). A Figura 5 mostra um dos modelos

Figura 05: CLP S-7 300 da Siemens

Fonte: www.pdfdoc.ru

2.4.2 Linguagem de programação

Para que um CLP funcione de forma desejada é necessário que seja programado

de forma correta, um CLP costuma reconhecer dois tipos básicos de programação que é

o StatementList, e a linguagem Ladder, sendo que a última possui uma utilização muito

maior tornando até incomum a utilização de uma programação em StatementList. A

linguagem ladder, diagrama ladder ou diagrama de escada é um auxílio gráfico para

programação Controladores Lógicos Programáveis (CLP’s) no qual as funções lógicas

são representadas através de contatos e bobinas, de modo semelhante a um esquema

elétrico com os contatos dos transdutores e atuadores (FRANCHI, 2013).

2.5 Bombas eletro hidráulicas

As bombas elétricas ou eletro hidráulicas, funcionam com um motor elétrico e

tem forma de tração simples e eficaz não necessitando de reduções ou adaptações para

seu funcionamento, já que o eixo do motor é ligado diretamente ao eixo da bomba

hidráulica, além de ser silenciosa. Classificamos as bombas em dois principais grupos:

bombas volumétricas ou centrífugas e bombas cinéticas. (CESANO, 2013).

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Segundo Macintyre (1997), as turbo bombas ou bombas centrífugas “são

caracterizadas por possuírem um componente giratório dotado de pás, chamado rotor,

que exerce sobre o líquido forças que resultam da aceleração que lhe imprime”

entendendo dessa forma que a característica principal desta classe de bombas é que uma

partícula líquida em contato com o órgão que comunica a energia tem aproximadamente

a mesma trajetória que a do ponto do órgão com o qual está em contato. Como

demonstra a Figura 07, o líquido entra no bocal de sucção e, logo em seguida, no centro

do dispositivo rotativo chamado impulsor. Quando o impulsor gira, ele imprime uma

rotação ao líquido situado nas cavidades entre as palhetas externas, ocorre então uma

aceleração centrífuga. Cria-se uma área de baixa-pressão no olho do impulsor, causando

maior fluxo de líquido através da entrada. Como as lâminas do impulsor são curvas, o

fluido é impulsionado para as paredes da carcaça pela força centrífuga (MARTINHÃO,

2013).

Figura 07: exemplo de funcionamento de uma bomba volumétrica

Fonte: www.ebah.com.br

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Para este trabalho foram estudadas diversas formas e meios que pudessem ajudar

a indústria, e destacando a indústria nacional no controle de seus processos, conferindo-

lhes precisão e confiabilidade. Neste capítulo será abordada a metodologia utilizada,

análise e coleta de dados e definição dos conceitos do projeto.

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3.1 Metodologia

Para este trabalho utilizou-se uma pesquisa exploratória a partir da análise das

principais indústrias de alimentos e bebidas na região de Marília. O protótipo foi

construído com base na bancada de processos e fluxo contínuo da festo, disponível no

laboratório da Fatec.

3.2 Conceitos

Em uma análise superficial a utilização de um CLP para o controle do sensor de

fluxo utilizado, pode parecer exagerado devido ao custo envolvido, porém é necessário

considerar que o CLP pode ser usado para controlar o processo como um todo, e o

controle do fluxo do fluido será medido através de uma única entrada digital, tendo

assim uma nova aplicação de um produto já existente, com maior precisão.

3.2.1 Comparação de custos

Como o componente principal do nosso projeto é o sensor de fluxo fizemos uma

comparação de custos e eficiência entre sensores que executam a mesma tarefa e o

resultado é mostrado na Tabela 1. O sensor IR-opflow se mostrou bastante interessante

no que se diz respeito a sua precisão e viável com relação ao seu preço.

Tabela 1 – Comparativo entre sensores de fluxo

3.2.2 Definição do diagrama

A partir de análise da tabela acima, optou-se por utilizar a bancada de processos de

fluidos da Festo, por ter a vantagem de já se encontrar disponível no laboratório da

Sensor/ Fabricante Precisão (valor

medido)

Pressão max.

(Bar)

Diâmetro interno

(mm) Vazão (lts/min) Tipo de saída Alimentação

Preço

R$

IR-opflow/ Festo 0,10% 10 12 0.3 – 9.0 analógica 5-12 ou 8-24V 184

Lsn 40/ Keromate 1% 1 8 0.4 max. digital 12 ou 24V 213

Fe18b02/ Icos 15% 10 11,4 10 analógica 12 ou 24V 476

Mj-Hz21A/ Mojo 10-50% 17,3 10 jan./30 digital 3-18V 10

POW110D3B/ Shenzen

15% 17,5 12,7 jan./30 digital 5-24V 25

SB flowswitch/ IFM 5% 25,1 17,2 0,26-6,6 analógica 22-27 411

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faculdade, reduzindo ainda mais os custos do projeto. Conforme Figura 08 disponibiliza-se

o diagrama esquemático do funcionamento do protótipo.

Figura 08: descrição do processo

Fonte: FestoDidatic.com

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4. CONSTRUÇÃO E TESTES DO PROTÓTIPO

Neste capítulo será abordada a lista de materiais, descrição completa e detalhada

do projeto, construção e montagem, especificações do protótipo, testes e resultados.

Todos os componentes e materiais foram fornecidos pela faculdade, eliminando assim

qualquer custo.

4.1 Bancada de controle de processos

Como base para o protótipo apresentado utilizou-se a bancada para controle de

processos da Festo MPS-PA Estação compacta, Na Figura 09 está representada uma

foto da bancada e todos seus componentes. Esta bancada permite representar uma

infinidade de aplicações na indústria, sendo estes processos simples ou complexos,

sendo tanto em malha aberta quanto em malha fechada.

Figura 09: Bancada de controle de processos completa

Fonte: Festodidatic.com

4.2 Descrição e características dos componentes do protótipo

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Para implementar a ideia alterou-se a bancada de forma a atender o objetivo

proposto. Foram acrescentados mais uma bomba e um sensor de fluxo de mesmo

modelo, a Figura 10 representa esta alteração.

Figura 10: Alteração feita na bancada

Fonte: Os autores

4.2.1 Sensor de fluxo

Seguem especificações técnicas do sensor IR-Opflow. Que pelos estudos

realizados e dados coletados garante grande precisão na resposta.

Precisão: IR-Opflow 10 series: ± 1% do valor medido

Repetitividade: ± 0, 1 % do valor medido

Linearidade: ± 1% ou ± 3% do valor medido.

Faixa de medidas: Ver tabela 2.

Temperatura de trabalho: -40° à + 85° Celsius.

Tubulação desviada até o

tanque

Bomba centrífuga

Sensor de fluxo

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Pressão máxima: 10 bar.

Viscosidade máxima: 15 cSt (dependendo da faixa de medidas).

Tipo de conexão: BSP, NPT ou encaixe de mangueira flexível, veja tabelas 3 e 4.

Material de construção: Todas as partes foram feitas de .

Faixa de tensão: 5 - 12 VDC, 6 - 33 mA. 8 – 24 VDC, 18 – 30 mA.

Saída de pulso: Push-Pull.

Resistência máxima: 2k2Ω.

Frequência: 15 - 1200 Hz, ver tabela 2.

Sinal gerado: Opto eletrônico (infravermelho).

Sinal do cabo: 1 metro de cabo.

Tabela 2: Faixa de medições

Tabela 3: Diâmetros de conexões BSP ou NPT

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Tabela 4: Conexões para mangueira flexível.

4.3 Bomba Centrífuga

Bomba centrifuga com vazão da ordem de

5 l/min garante um fluxo contínuo de água. A velocidade de rotação da bomba pode ser

controlada de forma analógica por um controlador que recebe um sinal de entrada de 0 –

10 VDC, com sinal de saída linear de 0 – 24 VDC. A bomba também pode funcionar

em modo ON/OFF através de circuito elétrico comandado por relê. Com 24V a corrente

de saída é de 1,1ª e pode trabalhar com temperaturas de 15 a 70ºC. A Figura 11

representa o modelo da bomba.

Figura 11: Bomba centrífuga

Fonte: spx.com

4.4 CLP S7-300

O modelo do CLP utilizado foi o modelo da Siemens: Simatic S7-300. A

CPU S7-313C que já vem integrado com dois blocos de portas, sendo um com cinco

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entradas analógicas, oito entradas digitais e duas saída analógicas utilizando a

tecnologia 12 bits.

4.5 Software e programação

Utilizou-se na programação do CLP, o software da Siemens STEP 7, com

sua vasta gama de funções de fácil utilização, o software STEP 7 proporcionou

significativa aceleração na eficiência de todas as tarefas de automação necessárias. O

software é referência em sua área, independentemente se para configuração de

hardware, estabelecimento de comunicação, programação, teste, comissionamento e

serviço, documentação e arquivamento, ou funções operacionais. A Figura 12

demonstra um exemplo simples de como é uma programação em ladder, após executada

esta parte no software é feito download para o CLP.

Figura 12: Exemplo de programação executada no software Step 7

Fonte: cursoengenharias.blogspot.com

4.5 Montagem final

De acordo com o diagrama mostrado na figura 08, e, a partir das alterações

executadas na bancadas foi possível à demonstração de funcionamento do projeto, que

funciona da seguinte forma: O fluído A, é succionado pela bomba 01 e por

consequência bombeado para o sensor de fluxo F, conforme demonstra a figura 12, o

sensor F, através de pulsos que variam de 40 a 1200 Hz, está ligado ao CLP, que faz a

leitura destes pulsos e dessa forma controla a quantidade do fluido A que passou pelo

sensor, depois de feita essa leitura o líquido é depositado no tanque T. A mesma coisa

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acontece com o fluido B, que passa pela bomba 02 e pelo sensor G, sendo depositado da

mesma forma no tanque T, conforme Figura 13.

Figura 13: Montagem do protótipo e direção dos fluidos

Fonte: Os autores

Fluido A

Tanque T

Sensor de

Fluxo G

Bomba 01

Bomba 02

Fluido B

Sensor de

Fluxo F

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4.6 Testes e resultados

Os primeiros testes realizados não saíram de forma esperada, houve grandes

dificuldades com a leitura dos pulsos emitidos pelo sensor, que tornaram o

desenvolvimento do programa muito complexo. Foi necessário a diminuir a vazão da

bomba para que a frequência de pulsos do sensor fosse enviada de forma mais lenta,

possibilitando a leitura pelo cartão de entradas do CLP. No desenvolvimento do

software também houveram algumas dificuldades, a complexidade da lógica em manter

a precisão na leitura exigiu uma pesquisa mais aprofundada em relação ao software em

que foi desenvolvida a programação. Muitos ajustes foram feitos para que o resultado

fosse obtido de forma esperada, alcançando o objetivo esperado, a mistura de dois

fluidos de diferentes densidades de forma precisa.

5 CONCLUSÕES

Com os objetivos do trabalho alcançados acredita-se que, muitos setores e áreas

da indústrias terão uma forma melhor e mais eficiente, no controle dos fluidos e mistura

deles. Este projeto tem também uma enorme utilidade no aprendizado e treinamento de

técnicos e profissionais da área, uma vez que foi realizado numa bancada didática,

desenvolvida para estudos. Pelos resultados e características do que foi desenvolvido

fica claro que ainda há muitas melhorias a serem feitas para aplicação direta numa

indústria, mas que a demonstração e o resultado obtido nos aproxima bastante da

realidade numa indústria. Algumas melhorias no software e com o CLP possuindo um

cartão de entradas para alta frequência, a leitura e a vazão seriam executada de forma

mais rápida e eficiente. Deixa-se este protótipo aberto a novas melhorias, tantas quantas

forem possíveis, mas acreditando que os objetivos tenham sido alcançados.

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6 REFERÊNCIAS

MAURÍCIO TRIELLI, Mecânica dos fluidos – parte B Medidores de vazão:

Escola politécnica da Universidade de São Paulo

ELETRONICA ATUAL, Mecatrônica Atual, artigos, medidores de vazão.

Disponível em: http://www.mecatronicaatual.com.br/artigos/1444-medidor-de-vazao

Acesso em: Novembro de 2013

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operação e instalação, 2ª Edição, São Paulo, Turbotech Engenharia, 1999

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Acesso em: Novembro de 2013

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REYNIER, ANDRE. Expectativa de crescimento para o setor sucroalcooleiro,

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energia/petroleo/presal/>

FLOYD, THOMAS L., Sistemas digitais: Fundamentos e aplicações, 9ª Edição,

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