UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEEL

CENTRO TECNOLÓGICO – CTC CAMPUS UNIVERSITÁRIO - TRINDADE - CEP 88040-900

FLORIANÓPOLIS - SANTA CATARINA

Sistema de Aquisição de Dados

aplicado à Soldagem

Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina

como requisito para a aprovação da disciplina:

EEL 7080 – Seminários de Engenharia Elétrica

Alexandre Blum Weingartner

Florianópolis, junho de 2010.

1

Sistema de Aquisição de Dados aplicado à Soldagem

Alexandre Blum Weingartner

Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina EEL 7080: Seminários de Engenharia Elétrica

e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia Elétrica

Banca Examinadora:

Prof. Jorge Coelho Responsável pela disciplina

Prof. Jorge Coelho, Avaliador

2

Resumo

Sistemas de aquisição de dados são ferramentas fundamentais para análise

dos processos de soldagem, tanto para ensino e pesquisa, como para

acompanhamento dos processos produtivos da indústria. O laboratório de soldagem

da UFSC, conhecido por sua característica pioneira no Brasil em desenvolver

equipamentos voltados à tecnologia da soldagem, tais como fontes e dispositivos de

automatização e instrumentação, implementou um sistema de aquisição de sinais

voltado às necessidades internas do laboratório e também de aplicação direta na

indústria, o SAP-4 (Sistema de Aquisição Portátil). A placa de aquisição comporta o

microcontrolador LPC2148 da Philips, que teve seu software desenvolvido para ser

totalmente dedicado à aquisição de dados, deixando o aplicativo em Windows

encarregado pela manipulação e apresentação dos dados ao usuário. Um dos

fatores para a escolha deste componente é a sua estrutura ARM, que é uma

tecnologia de microcontroladores de baixo consumo de energia, alto desempenho e

está amplamente difundida no mercado de dispositivos embarcados da atualidade.

Atualmente se encontra em plena utilização por diferentes linhas de

desenvolvimento do laboratório, sendo ferramenta fundamental de apoio a estudos

acadêmicos e tecnológicos. Os avanços alcançados pelo mesmo permitem que se

explore de forma mais contundente as propriedades de cada processo de soldagem.

3

Abstract

Data acquisition systems are fundamental tools for welding processes

analysis, both for teaching and research, but also for monitoring production

processes in the industry. The welding lab at UFSC, known for its feature pioneered

in Brazil in developing equipment focused on welding technology, such as welding

sources and automation devices and instrumentation, implemented a data

acquisition system for internal needs and also applies directly in the industry, SAP-4

(Portable Acquisition System). The acquisition board comprises the LPC2148

microcontroller from Philips, which firmware is fully dedicated to data acquisition,

leaving the application in Windows responsible for handling and presentation of data

to the user. One reason for the choice of this component is its structure ARM, which

is a microcontroller technology of low power consumption, high performance and is

widespread in the market for embedded devices today. This system is currently in

full use by different lines of development of the laboratory and is a fundamental tool

for academic studies support and technology. The advances made by the system

allows the researcher to explore a major way the properties of each welding process.

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Sumário

Resumo ............................................................................................................ 2

Abstract ............................................................................................................ 3

Simbologia ........................................................................................................ 6

Capítulo 1: Introdução ...................................................................................... 7

Capítulo 2: Aquisição de dados ........................................................................ 8

2.1: Definição ................................................................................................ 8

2.2: Elementos funcionais de um sistema de aquisição ............................... 9

2.2.1 Transdutor ......................................................................................... 9

2.2.2 Tratamento do sinal ........................................................................ 10

2.2.3 Placa de aquisição de dados .......................................................... 11

2.2.4 Comunicação entre a placa de aquisição e o PC ........................... 12

2.2.5 Programa de aquisição de dados ................................................... 12

2.2.6 O computador ................................................................................. 13

Capítulo 3: Soldagem ..................................................................................... 14

3.1: Definição .............................................................................................. 14

3.2: Tipos de soldagem e classificação dos processos .............................. 15

3.3: Processos de soldagem a arco voltaico .............................................. 15

3.3.1 Eletrodo revestido ........................................................................... 16

3.3.2 MIG/MAG ........................................................................................ 17

3.3.3 TIG .................................................................................................. 19

3.3.4 Plasma ............................................................................................ 19

3.4: Laboratório de Soldagem da UFSC ..................................................... 21

Capítulo 4: Sistema de aquisição de dados na Soldagem ............................. 22

5

4.1 Grandezas físicas de interesse .......................................................... 24

4.2 Transdutores ...................................................................................... 25

4.3 Requisitos de Hardware ..................................................................... 26

4.4 Requisitos de Software ...................................................................... 27

4.5 Idealização do sistema de aquisição baseado em PC ....................... 27

4.6 Ferramentas de desenvolvimento ...................................................... 28

Capítulo 5: Resultados ................................................................................... 32

Capítulo 6: Conclusões .................................................................................. 34

Bibliografia:..................................................................................................... 35

ANEXO I ....................................................................................................... 355

6

Simbologia

PC – Computador pessoal

CAD – Conversor Analógico-Digital

CDA – Conversor Digital-Analógico

USB – Universal Serial Bus

UTS – Unidade de Tratamento de Sinal

Rc – Resistência dos cabos

Lc – Indutância dos cabos

Is – Corrente de soldagem

JTAG – Joint Test Action Group

ARM – Máquina RISC Avançada

RISC – Computador com Conjunto Reduzido de Instruções

IDE – Ambiente de Desenvolvimento Integrado

RAD – Desenvolvimento Rápido de Aplicações

API – Interface de Desenvolvimento de Aplicação

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Capítulo 1: Introdução

Quando não se conhece não se pode dar valor e nem se pode melhorar.

Como na vida, na tecnologia acontece o mesmo. Assim também nos processos de

soldagem. É necessário conhecê-los para adaptá-los e melhorá-los. Por esta razão,

o objetivo deste trabalho foi a realização de um sistema de aquisição de dados para

soldagem.

Este trabalho foi muito importante para a reforçar na prática o que foi visto na

teoria em algumas disciplinas no decorrer da graduação.

Para a devida compreensão de como foi a realização do sistema em questão,

há primeiro uma explanação do que vem a ser aquisição de dados, depois uma

introdução à soldagem e uma apresentação do local onde o trabalho foi realizado.

Na seqüência é abordada a idealização de um sistema de aquisição de

dados para soldagem baseado em PC, falando das grandezas envolvidas na

soldagem e dos requisitos de projeto, bem como as ferramentas utilizadas e os

resultados obtidos.

8

Capítulo 2: Aquisição de dados

Atualmente o computador, pessoal ou industrial, é a plataforma mais utilizada

para o desenvolvimento de sistemas de aquisição, processamento e tratamento de

dados bem como o controlo de sistemas. Entre as principais razões para a sua

popularidade pode-se destacar o baixo custo, a flexibilidade, a facilidade de

utilização e o seu desempenho.

Os sistemas de aquisição de dados através dos computadores permitem a

visualização e armazenamento de diversas grandezas tais como pressão,

movimento e temperatura.

Até o aparecimento dos computadores, a aquisição de dados e monitorização

de processos era efetuado através de sistemas de armazenamento específicos ou

controladores lógicos programáveis. Hoje em dia, através do recurso de diversos

softwares é possível criar ambientes de trabalho bastante atrativos em diversos

tipos de aplicações, tais como: aplicações laboratoriais de aquisição de dados e

controle de processos, controle de processos industriais, monitoramento de

condições ambientais e medições em geral. Assim, é possível construir sistemas de

aquisição de dados adaptados especificamente às necessidades de cada

laboratório, obtendo-se um sistema personalizado e economicamente vantajoso.

Neste capítulo é feita uma abordagem acerca dos fundamentos básicos dos

sistemas de aquisição de dados.

2.1: Definição

A aquisição de dados, baseado em computadores pessoais (PC) ou

industriais, é o processo pelo qual um fenômeno físico real é transformado em sinal

elétrico proporcional e convertido em formato digital para posterior visualização,

armazenamento, processamento e análise.

9

2.2: Elementos funcionais de um sistema de aquisição

A figura 1 apresenta os elementos funcionais de um sistema de aquisição.

Nela estão indicados os transdutores, o condicionamento de sinal, a placa de

aquisição, o computador e o software de aquisição. Cada elemento funcional afeta a

exatidão do sistema total de medição e a correta coleta dos dados do processo

físico que se pretende monitorar. A seguir, é abordado de forma sucinta as

principais funções de cada um destes elementos.

Figura 1 – Diagrama funcional de um sistema de aquisição baseado em PC

2.2.1 Transdutor

Os sensores e transdutores fornecem a ligação direta entre o mundo real e o

sistema de aquisição de dados convertendo sinais de grandezas físicas em sinais

elétricos (tensão ou corrente) apropriados para os condicionadores de sinais e/ou

os equipamento de aquisição de dados.

10

Atualmente, existem praticamente transdutores disponíveis para a medição

de todas as grandezas físicas existentes.

Por exemplo: para a medição de temperaturas existem os termopares, as

termoresistências, termistores e a junção de semi-condutores, que convertem a

temperatura do meio com o qual estão em contato num sinal analógico proporcional;

para a medição de tensões, existem as células de carga; para a medição de

pressão, existem diversos tipos de transdutores de pressão.

Em todos eles, o sinal elétrico produzido é proporcional à quantidade física

que se pretende medir de acordo com uma relação prévia estabelecida, existindo

diversas gamas quer em termos do seu campo de medida, quer da amplitude do

sinal de saída, sensibilidade, estabilidade e linearidade.

Existem sensores intrusivos e não intrusivos, ou seja, aqueles que interferem

com o meio de medida e os que não interferem com o meio de medida,

respectivamente.

Figura 2 – Esquema de um transdutor

2.2.2 Tratamento do sinal

Os sinais elétricos gerados nos sensores e transdutores muitas vezes

necessitam ser convertidos em uma forma apropriada para o equipamento de

aquisição, particularmente para o conversor analógico-digital (CAD), que realiza

uma amostragem dos sinais, ou seja, transforma sinais contínuos no tempo em

sinais discretos digitais que podem ser processados e armazenados pelos

computadores. O condicionamento de sinal também é o elemento funcional

responsável pela alimentação de energia, essencial para que muitos transdutores

possam operar.

11

As principais tarefas do condicionamento de sinal são: filtragem,

amplificação, linearização, isolamento e alimentação.

A figura 3 apresenta um exemplo de condicionamento de sinal consistindo na

amplificação do sinal elétrico original e sua filtragem para eliminar o ruído elétrico.

Figura 3 – Exemplo de condicionamento de sinal: amplificação e filtragem

2.2.3 Placa de aquisição de dados

O hardware de medição é o responsável pelas entradas e saídas de sinais no

processo de medida. Assim, ele pode executar qualquer uma das seguintes

funções:

entrada, processamento e conversão para o formato digital, usando

conversores digitais (CAD), de sinais analógicos provenientes do meio de medição.

Os dados após convertidos são transferidos para o computador para visualização,

armazenamento ou análise;

entrada de sinais digitais que contêm informação acerca de um sistema ou

processo;

processamento, conversão para um formato analógico, utilizando

conversores analógicos (CDA) de sinais digitais do computador para controle de

processos;

saída de sinais de controlo digitais.

Sistemas de aquisição de dados existem em diversas plataformas

provenientes de diversos fabricantes podendo dividir-se em placas de inserção que

são ligadas diretamente no interior dos computadores e sistemas exteriores de

comunicação. Na opção entre estes tipos de equipamentos existem vantagens e

12

desvantagens, sendo a sua seleção feita com base em diversos parâmetros, tais

como: capacidade de expansão, ruído elétrico, preço, taxas de aquisição

pretendidas e possibilidade de configurar individualmente cada sinal.

2.2.4 Comunicação entre a placa de aquisição e o PC

Quando a unidade de tratamento de sinal e/ou o sistema de aquisição são

fisicamente afastados do computador, cabos são vulgarmente designados como

cabos de comunicação tal como sucede na comunicação RS-232, RS-485, USB,

entre outros.

Em muitos dos sistemas de aquisição de dados, esta comunicação, que é

feita através dos cabos, pode tornar o sistema sensível a ruído externo. Este

componente passivo dos sistemas de aquisição é muitas vezes negligenciado

durante o desenvolvimento dos sistemas, tornando-se uma importante fonte de erro

e incerteza.

2.2.5 Programa de aquisição de dados

O equipamento de aquisição de dados não funciona sem software, pois é o

software que transforma o sistema numa aquisição completa de dados, visualização

e manipulação dos dados.

As aplicações desenvolvidas são executadas no computador sobre um

sistema operacional que pode permitir que apenas uma aplicação seja executada

independentemente como é o DOS, ou em sistemas operacionais como o MS-

Windows, Unix e OS2, que permitem mais do que uma aplicação seja executada

simultaneamente (multithread).

13

2.2.6 O computador

O computador utilizado pode influenciar de modo preponderante na

velocidade à qual se pretende adquirir os dados e como tal a precisão,

processamento e armazenamento dos dados.

Existem diversos fatores na arquitetura do computador que afetam os

parâmetros referidos anteriormente, tais como o tipo de processador, as placas de

expansão disponíveis (ISA ou PCI), tempo de acesso ao disco rígido, utilização de

Acesso Directo à Memória, entre outros. Estes tornam-se extremamente relevantes

quando se pretendem efetuar leituras com elevada transferência de dados.

14

Capítulo 3: Soldagem

A palavra “soldagem” designa a ação de unir peças, e o vocábulo “solda” o

resultado ou produto de uma operação. A técnica de “soldagem” destina-se à

adesão de duas ou mais partes, de maneira a assegurar a continuidade entre elas

preservando as características mecânicas e químicas dos materiais de cada parte.

Por volta de 2000 a.C o advento do ferro representou um passo de grande

importância para a metalurgia. E um dos primeiros processos de soldagem sobre o

qual se tem notícias teria existido em 1300 a.C; ele se daria por meio da utilização

de uma espécie de maçarico soprado pela boca.

No início da Primeira Guerra Mundial, a grande demanda internacional pela

fabricação de produtos metálicos foi um dos fatores determinantes para a

estabilização das indústrias fabricantes de equipamentos a arco elétrico e para o

empenho crescente dessas indústrias rumo ao aprimoramento da técnica e de suas

aplicações.

Muitas derivações da soldagem e corte se apresentaram ao longo dos anos,

assim como novas tecnologias se apresentaram como recursos para fazer frente a

mudanças que se apresentavam em outra materiais.

3.1: Definição

É o processo pelo qual se faz a união localizada de metais ou não-metais,

produzida pelo aquecimento dos materiais a temperatura adequada, com ou sem

aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão apenas, e com ou sem a

utilização de metal de adição. É extremamente utilizado pela indústria mecânica de

grande porte - que produz tubulações, caldeiras, navios, automóveis, vagões,

pontes metálicas, assim como por outros setores também, como o de

eletrodomésticos, eletrônicos, entre outros.

15

3.2: Tipos de soldagem e classificação dos processos

Existem basicamente três tipos de soldagem:

Figura 4 – Tipos de soldagem.

União entre componentes de ângulo (solda de ângulo) - soldagem executada

com 2 ou mais chapas colocadas perpendicularmente entre si formando um ângulo.

Solda topo a topo - soldagem executada com duas ou mais chapas colocadas

sobre o mesmo plano.

Revestimento - soldagem executada no metal de base com finalidade de

deixar o material resistente ao desgaste e a corrosão.

A classificação dos processos de soldagem segundo a American Welding

Society (AWS - organização fundada em 1961 e hoje conhecida mundialmente) está

no Anexo I.

3.3: Processos de soldagem a arco voltaico

Antigamente definia-se soldagem como a “junção dos metais por fusão”, mas

com o desenvolvimento de novos processos e materiais, nem a fusão e nem os

metais soldáveis são essenciais na soldagem. O conceito atual de soldagem é

baseado apenas na união de peças, assegurando na junta, a continuidade das

16

propriedades físicas e químicas. Normalmente as peças a serem soldadas são

referenciadas como “material de base” e o material que preenche folgas de junta é

chamado de “material de adição”.

Para ocorrer a soldagem, é preciso transferir energia para a zona da junta do

material de base. Com metais, isso normalmente é feito com laser, fogo ou arco

voltaico (ou arco elétrico). Esta última forma é a principal utilizada pelo LABSOLDA.

Os fenômenos bastante irregulares que ocorrem em arcos elétricos são

dependentes de muitos fatores e são temas de muitas pesquisas no mundo da

soldagem.

Arcos voltaicos são estabelecidos por meio de um circuito elétrico que é

fechado no momento em que o eletrodo encosta no material de base. Ambos, o

eletrodo e o material de base, ficam conectados à fonte de soldagem, responsável

por controlar a corrente do circuito. Ao provocar o curto-circuito, o eletrodo é

afastado do material de base até uma certa altura, estabelecendo-se, assim, com

atmosferas apropriadas, uma corrente envolvida por um meio ionizado, a qual é

responsável pela focalização de energia sobre a região a ser soldada.

Figura 5 – Circuito típico de soldagem à arco simplificado.

Os principais processos de soldagem são descritos a seguir.

3.3.1 Eletrodo revestido

A soldagem a arco com eletrodo revestido (shielded metal arc welding -

SMAW) é o processo que produz a junção entre metais pelo aquecimento e fusão

17

destes com um arco elétrico estabelecido entre a ponta de um eletrodo revestido e a

superfície do metal de base na junta que está sendo soldada.

Os revestimentos variam de um eletrodo para o outro, mas possuem algumas

características semelhantes, tais como: isolante, ajuda na deposição do metal,

possui elementos de liga, produz escória para proteção da solda do hidrogênio

contido na atmosfera, etc.

Cada eletrodo deve conter sua classificação marcada no revestimento para

que o soldador identifique-o com facilidade. Cada dígito da classificação nos

oferece uma informação como na figura a seguir.

Figura 6 – Códigos dos eletrodos.

3.3.2 MIG/MAG

A soldagem MIG/MAG, no inglês gas metal arc welding – GMAW, é o

processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo consumível sob proteção

gasosa, que utiliza como eletrodo um arame maciço e como proteção gasosa um

gás inerte (MIG) ou um gás ativo (MAG).

Observando a figura 7 nota-se que neste processo o arame-eletrodo não

possui revestimento. Isso se dá por conta do gás de proteção, que tem a função de

proteger a poça de fusão do ar atmosférico exercendo uma das funções do

revestimento. A pistola (fig. 8) contém um cabo para conduzir a corrente elétrica ,

um conduíte para a passagem do arame-eletrodo, e um tubo para conduzir o gás.

18

Figura 7 – Processo de soldagem MIG/MAG.

Figura 8 – Pistola típica do MIG/MAG.

A grande vantagem da soldagem pelo processo Mig-Mag é sua alta

produtividade devido ao arame-eletrodo estar em forma de rolo, o que acaba

ajudando na quantidade de metal depositado sem intervalos.

Os gases inertes (Argônio, Hélio, etc.) têm a função somente de proteger a

poça de fusão, enquanto que os gases ativos (Oxigênio, Dióxido de Carbono, etc.)

já influenciam na soldagem.

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3.3.3 TIG

A soldagem TIG (gas tungsten arc welding - GTAW) é o processo a arco

elétrico com eletrodo não consumível de tungstênio ou liga de tungstênio sob

proteção gasosa de gás inerte ou misturas de gases inertes.

Figura 9 – Processo de soldagem TIG.

A soldagem pelo processo TIG geralmente é executada em tubulações

devido a sua ótima penetração. Já por outro lado, sua desvantagem é a baixa

deposição de material, o que acaba prolongando o tempo de soldagem.

3.3.4 Plasma

A soldagem a arco plasma (Plasma Arc Welding - PAW) é extremamente

idêntico ao processo TIG. Ambos utilizam eletrodos de tungstênio e gases inertes. A

diferença evidente entre os dois processos aparece na tocha de soldagem (fig. 10).

Enquanto a tocha de soldagem TIG evidencia o eletrodo de tungstênio para fora do

bocal de gás de proteção, a tocha para o processo plasma esconde o eletrodo de

tungstênio dentro de um bocal de cobre. Assim, no processo plasma é impossível se

formar um arco voltaico pelo estabelecimento de um curto circuito direto entre o

eletrodo de tungstênio e a peça.

20

Figura 10 – Diferenciação básica entre os processos TIG e Plasma.

Neste caso, há a necessidade de um sistema de alta tensão em alta

freqüência (ligado entre o bico constrictor e o eletrodo) para romper o dielétrico do

gás que flui na câmara interna, formando um ambiente ionizado. Uma fonte de

energia, sempre de corrente contínua, é também sempre conectada entre o eletrodo

de tungstênio e o bocal de cobre, a qual estabelece um arco voltaico entre estes

dois elementos. Este arco gerado entre os elementos citados é o responsável pela

produção contínua de plasma, o qual sai pelo bico de cobre, forçado pelo gás que

flui através do que se pode chamar de câmara de ionização. Este sistema de

soldagem é chamado de processo plasma com arco não transferido, o qual pode ser

utilizado até para a soldagem de peças não condutoras de eletricidade.

Entretanto, a versão mais comum do processo plasma é a que

fundamentalmente não depende deste arco entre eletrodo e bico de cobre para

gerar calor para a soldagem. O referido arco, que nesta versão é sempre de

pequena potência (correntes menores que 15A), é chamado de arco piloto e serve

como elemento de ponte para formar um outro arco, dito principal, o qual é

estabelecido entre o eletrodo de tungstênio e a peça-obra. Se este arco principal é

de corrente contínua, o arco piloto não precisará ficar aceso durante a soldagem.

Entretanto, se o arco principal for de corrente alternada, o arco piloto tem de ficar

21

aceso para manter a ionização durante as inversões de polaridade do arco

principal.

A causa de várias vantagens do processo plasma em relação ao processo

TIG é a maior concentração de calor obtida.

3.4: Laboratório de Soldagem da UFSC

O presente trabalho foi realizado no laboratório de soldagem (LABSOLDA),

localizado na Universidade Federal de Santa Catarina. O laboratório foi criado em

1973 a partir de um convênio entre o hoje chamado Forschungszentrum na

Alemanha e o CNPq. Naquela época, havia alguns equipamentos de soldagem que

consistiam de uma fonte MIG, uma TIG, uma de solda ponto e dois conversores

rotativos de soldagem.

O LABSOLDA sempre trabalhou processos de soldagem a arco voltaico.

Alguns desses processos, como exemplo, são o eletrodo-revestido, o MIG, o TIG e

o Plasma. O laboratório possui as próprias fontes de soldagem e periféricos, tudo

criado por pessoas que estiveram ou que ainda estão lá.

O desenvolvimento de instrumentação no LABSOLDA começou em 1987 com

a necessidade de criação de uma bancada de ensaios para soldagem MIG. Dois

anos depois, esses equipamentos começaram a ser reproduzidos de forma modular.

Era necessário produzir isso porque as pesquisas de processos de soldagem no

laboratório atingiram um patamar que os equipamentos industriais da época não

suportavam.

O laboratório é um local de pesquisa plural, gerando oportunidade de

complementação acadêmica para alunos das áreas de mecânica, elétrica, materiais,

automação, computação e outras.

22

Capítulo 4: Sistema de aquisição de dados na Soldagem

A necessidade de aumento da produtividade e de uma repetibilidade de

qualidade conduz a indústria a substituir as pessoas por máquinas em muitos tipos

de tarefas. Entretanto, é muito difícil dotar as máquinas com as mesmas habilidades

de um ser humano, pois este, ao executar qualquer tarefa, o faz de forma

realimentada, praticando ações de controle pela sua observação e atuação. Então,

para aumentar a eficácia da automatização, torna-se necessário conhecer a

natureza dos fenômenos físicos envolvidos nos processos de fabricação. Para

tanto, o sistema de aquisição de dados é uma ferramenta indispensável a qualquer

pesquisa desses fenômenos.

O presente trabalho, o desenvolvimento de um sistema voltado a fazer a

análise das variáveis envolvidas na transferência metálica, permite e agiliza as

pesquisas relativas aos fenômenos e processos de soldagem. Medindo-se a tensão

do arco, é possível saber, por exemplo, o momento em que uma gota metálica de

eletrodo está se desprendendo rumo ao material de base, se for o caso.

Para maior entendimento, pode-se mencionar o MIG (fig. 11): um processo

de soldagem bastante comum na indústria e bem elaborado, onde muitos desses

fenômenos goticulares ocorrem. É um processo caracterizado principalmente pela

fusão do material de base ao mesmo tempo em que o eletrodo, em forma de arame,

é continuamente mergulhado na poça de fusão para formar o chamado cordão de

solda.

Figura 11 – Esboço do processo MIG

23

O MIG Pulsado é uma variação do MIG convencional, onde, na sua forma

mais simples, dois valores de corrente são utilizados. Um mais alto, na ordem de

300A, e outro mais baixo, próximo a valores de 40A (fig. 12). Isso é feito porque o

MIG convencional normalmente é aplicado com correntes realmente altas e

constantes e isso faz com que seja necessário gastar muita energia. Com o MIG

Pulsado, a transferência globular ocorre principalmente na fase de pulso, enquanto

na fase de base, mantém-se o calor e o arco ligado. Com isso, a potência eficaz

nesse processo é menor em relação ao convencional e com resultados muito bons

para a soldagem.

Figura 12 – Corrente e tensão no MIG Pulsado

Supondo-se que o desejo seja medir e analisar a tensão ao longo do tempo

no processo MIG Pulsado. Para isso, um sistema de aquisição é crucial, pois

normalmente as fases de pulso e de base compõem períodos de 10 ms a 40 ms.

Além disso, os programas de um sistema de aquisição normalmente

permitem guardar e exportar os registros gráficos dessas medições. Os gráficos da

figura anterior mostram trechos de aquisições realizadas com o sistema de

aquisição em questão durante uma soldagem MIG Pulsado.

24

4.1 Grandezas físicas de interesse

No sistema de aquisição para soldagem, como em qualquer outro, faz-se

necessário à determinação da natureza das variáveis envolvidas, o comportamento

dinâmico das mesmas e os erros máximos permitidos, para que se possa especificá-

lo de forma correta. Abaixo é ilustrada uma típica bancada de soldagem.

Figura 13 – Bancada de soldagem e as grandezas físicas de interesse

Como mostra a figura, as principais variáveis são: i e V que representam a

corrente e a tensão elétrica, supridas pela fonte de soldagem; A variável Va que

representa a velocidade de adição do arame-eletrodo durante a soldagem e Vz que

representa a vazão do gás de proteção da poça de fusão.

Conforme as especificações definidas para o sistema, é necessário o

emprego de diferentes tipos de transdutores, unidades de tratamento de sinal (UTS)

e interfaces. A escolha de um ou outro dependerá de vários aspectos, tais como:

sensibilidade, precisão, estabilidade, dinâmica, faixa de medição, erros,

complexidade exigida da UTS para adequar o sinal que o transdutor produz, entre

outras características.

Abaixo segue a descrição dos transdutores que foram utilizados neste

trabalho para a aquisição das variáveis supracitadas.

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4.2 Transdutores

Transdutor de Efeito Hall para corrente: é um dispositivo que pode ser

utilizado, tanto para medir corrente alternada, como contínua. O mesmo possui uma

resposta dinâmica excelente para aplicações em soldagem e ainda fornece sinal de

saída isolado. Os transdutores comerciais possuem erros bastante aceitáveis para

aplicação em soldagem, na ordem de 1% do valor medido. Um outro sensor muito

utilizado para medir a corrente de soldagem é o “SHUNT”, que é uma resistência de

baixo valor em série com o circuito da corrente. Entretanto, devido o mesmo gerar

valores de tensão na ordem de milésimos de Volts, os ruídos provocados pelo

chaveamento das fontes de soldagem e variações de tensão devido a sua própria

indutância, causadas pela ondulação da corrente (“ripple” intrínseco ao

chaveamento), acabam interferindo no sinal de tensão gerado pelo “SHUNT”[1].

Disco óptico para medir a velocidade de arame: este gera um sinal digital em

forma de pulsos, com freqüência proporcional à velocidade do arame. Neste tipo de

dispositivo, a resposta dinâmica é proporcional ao número de ranhuras do disco. A

relação entre o valor da grandeza real e valor medido é descontínua e a resolução

depende do número de ranhuras por volta, o mesmo também gera um sinal isolado.

A figura 14 apresenta um dispositivo dessa natureza.

Um outro dispositivo para medir velocidade é o tacogerador, o qual gera um

sinal de tensão analógico de acordo com a velocidade de rotação. Sua principal

vantagem em relação ao disco óptico é a continuidade entre o valor da grandeza

real e o valor medido. Entretanto, este tipo de dispositivo gera uma série de ruídos,

que necessitam de filtragem, que pode prejudicar sua resposta dinâmica. Outras

vantagens do disco óptico são: a não necessidade de conversão do sinal analógico

em digital, pois o sinal já esta na forma digital (0 e 1), a determinação da quantidade

de arame consumido, que é feita através da simples contagem dos pulsos, e a

necessidade de uma UTS mais simples do que a utilizada para o tacogerador. No

caso do tacogerador a determinação da quantidade de arame consumido é mais

complicada pois é obtida integrando-se a velocidade[1].

26

Figura 14 – Desenho esquemático do transdutor digital

Transdutores ópticos para medir vazão de gás: um tipo de transdutor de

vazão de gás, desenvolvido pelo próprio laboratório, é baseado numa turbina. O

princípio de operação é semelhante ao de velocidade de arame. A vazão é obtida

pela identificação do movimento das pás por um sensor óptico, o qual gera pulsos

com uma freqüência proporcional a velocidade de rotação, que é proporcional a

vazão de gás. A vantagem desse dispositivo em relação a outros, destinados a este

fim, é o custo. Uma das principais desvantagens é que o valor da vazão varia com a

pressão, mas isto é inerente a todos os transdutores de vazão volumétrica,

contrastando com aqueles de vazão mássica, mas que são incomparavelmente mais

caros[1].

Para tensão do arco: não é necessário sensor, pois a grandeza já é um sinal

elétrico. A mesma deve ser medida no ponto mais próximo possível do arco, para se

evitar a queda de tensão (is(t)*Rc) devido à resistência dos cabos (Rc) e a variação

da tensão (Lc*dis(t)/dt) provocada pela indutância (Lc) dos mesmos cabos[1].

4.3 Requisitos de Hardware

A seguir são listados os principais requisitos de hardware:

Faixas de leitura das grandezas envolvidas:

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Taxa de aquisição = 5KHz;

Leitura de 8 canais (I,V,Va,Vz de duas fontes de soldagem);

Resolução ≥ 8bits;

Comunicação via USB.

4.4 Requisitos de Software

Suporte a multithread para receber os dados pela USB, realizar plotagem do

gráficos instantaneamente e ficar livre para a utilização do usuário;

Oscilogramas de valores instantâneos, médios e eficazes das grandezas em

questão;

Histogramas de: picos de corrente, picos de tensão, tempos de curto-circuito,

derivadas de subida, derivadas de descida;

Capacidade de armazenar 80 horas seguidas de aquisição para valores

médios e 100 segundos para valores instantâneos;

Receber os dados da USB;

Entre outras funcionalidades

4.5 Idealização do sistema de aquisição baseado em PC

O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de aquisição de dados

que se enquadre às novas tendências e exigências do mercado. Para utilização do

sistema operacional mais acessível aos usuários, o MS-Windows, foi preciso tomar

providências em relação à aquisição de dados em tempo real, haja vista sua

interface multitarefa que impede o gerenciamento direto de suas interrupções.

Dessa maneira, utilizou-se o microcontrolador LPC2148 [5] da Philips, que

teve seu software desenvolvido para ser totalmente dedicado à aquisição de dados,

28

deixando o sistema operacional encarregado apenas pela manipulação e

apresentação dos dados ao usuário.

Outro fator para escolha deste componente é a sua estrutura ARM, que é

uma tecnologia de microcontroladores de baixo consumo de energia, alto

desempenho e está amplamente difundida no mercado de dispositivos embarcados

da atualidade.

Figura 15 – LPC2148

Este microcontrolador é o que apresenta mais recursos dos derivados da

família LPC21xx da NXP, subsidiária da Philips. Possui CPU ARM7TDMI-S de 16/32

bits operacional à 60MHz. Há disponíveis dois conversores analógico-digitais de 10

bits, 7 canais cada um, totalizando 14 entradas analógicas. Há um conversor digital

analógico de 10 bits. A memória de programa é de 512 kbytes flash e a memória

RAM é de 32 kbytes + 8 kbytes compartilhados com a DMA da USB, se ele for

utilizado. O principal, para este trabalho, é que há hardware interno específico para

a USB, totalmente compatível com a especificação 2.0 em full-speed (12MBits/s).

4.6 Ferramentas de desenvolvimento

A MCB2140 é uma placa voltada para o desenvolvimento de programas para

o LPC2148 fabricada pela Keil. Construída em torno desse microcontrolador, ela

traz a solução pronta para quem deseja desenvolver aplicações sem ter que se

preocupar com possíveis defeitos de hardware caso uma placa tivesse de ser

costruída.

A placa inclui, além dos componentes mínimos para operar o

microcontrolador, periféricos que podem ser aproveitados para testes e depuração

de software. Entre esses componentes, incluem-se aí, duas portas seriais RS-232,

29

um alto-falante, um potenciômetro, oito LEDs, uma porta USB, um conector de

cartões SD e um conector para depuradores do núcleo ARM.

Figura 16 – MCB2140

O principal motivo para a utilização da MCB2140 certamente é a presença do

microcontrolador LPC2148. Há outras placas disponíveis comercialmente que

possuem a mesma finalidade da placa da Keil e, inclusive, com o mesmo CI

LPC2148. Alguns exemplos de versões são da IAR, da Olimex e da LabTools, mas

as melhores opções de kits de desenvolvimento a princípio eram da Keil e da IAR. A

última oferece o IAR Kickstart Kit que é um conjunto de ferramentas de

desenvolvimento análogo ao da Keil. Ambos acompanham, além da placa, softwares

de exemplo e um depurador JTAG.

Para desenvolver o firmware do LPC2148 foi utilizado o Keil µVision3 [4] (fig.

17). Este programa é um ambiente de desenvolvimento de softwares embarcados

bastante rico em vários aspectos. Há recursos conhecidos, como coloração de

código, verificação de parênteses e chaves e organização de arquivos de projeto. E

há outros mais elaborados, como assistentes de configuração de pinos para vários

CIs e simulação. Infelizmente a IDE tem deficiências para apresentar erros de

código mas o seu uso se justificou porque ela oferece um módulo avançado de

depuração tanto em simulação como em acompanhamento real de execução. Outro

30

motivo é a compatibilidade dos exemplos de código com a placa MCB2140, o que

acelerou muito o desenvolvimento.

Figura 17 – Keil µVision3

Juntamente com a placa de desenvolvimento, há um depurador para

acompanhamento de execução do microcontrolador. Chamado de ULINK (fig. 18), o

depurador faz conexão com o LPC2148 através da interface JTAG (Joint Test Action

Group).

Figura 18 – Keil µVision3

O JTAG, o nome usual do padrão IEEE 1149.1, denominado “Standard Test

Access Port and Boundary-Scan Architecture”, antigamente utilizado para realizar

testes de conexões em placas de circuito impresso, hoje também é aplicado em

31

circuitos integrados, como o LPC2148, o que permite a depuração acessando-se

diretamente o núcleo da CPU.

Para o desenvolvimento do programa de aquisição de dados no PC, utilizou-

se o C++ Builder da Embarcadero Technologies [6] (fig. 19).

C++ Builder é um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) na

linguagem C++. O aplicativo inclui ferramentas que permitem desenvolvimento

visual através do recurso "arrastar e soltar", tornando a programação mais simples.

Édirecionado para as plataformas Windows e Linux.

Por ser uma ferramenta tipo RAD (Rappid Application Development), ela

diminui muito o chamado Time To Market, ou seja, o tempo de projeto e concepção

de um produto até a disposição do mesmo para o consumidor final.

Figura 19 – C++ Builder da Embarcadero Technologies

32

Capítulo 5: Resultados

A estrutura utilizada para a realização deste trabalho obteve um resultado

excelente. Tanto o hardware como o software desenvolvidos preencheram todos os

requisitos de projeto.

O hardware (fig. 20) condiciona os sinais provenientes dos transdutores,

realiza a coleta dos dados em alta frequência e envia-os em pacotes pela USB.

Desta forma, o sistema ficou compatível com o MS-Windows, totalmente plug-and-

play e com uma interface gráfica (fig. 21) altamente intuitiva.

Figura 20 – Placa de aquisição de sinais

33

Figura 21 – Programa de aquisição de dados em ambiente Windows

Este sistema foi consolidado como uma plataforma de pesquisa dentro do

LABSOLDA. Atualmente se encontra em plena utilização por diferentes linhas de

desenvolvimento do laboratório, sendo ferramenta fundamental de apoio a estudos

acadêmicos e tecnológicos. Os avanços alcançados pelo mesmo permitem que se

explore de forma mais contundente as propriedades de cada processo de soldagem.

34

Capítulo 6: Conclusões

O desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados engloba diversos

tópicos de engenharia e física. Primeiro, deve-se conhecer quais as grandezas

físicas envolvidas e os respectivos transdutores. Deve-se ter um conhecimento de

eletrônica para realizar o tratamento e filtragem dos sinais elétricos para posterior

coleta pelos conversores analógico-digitais.

O segundo passo é a transmissão destes dados adquiridos para um PC (no

caso de um sistema de aquisição baseado em PC).

Embora as etapas supracitadas terem sido realizadas por outros membros da

equipe que esteve envolvida neste projeto, muito foi assimilado pelo autor desta

monografia pela constante troca de informação durante todo o projeto. Também, foi

possível observar na prática o que foi visto em teoria em algumas disciplinas como

Eletrônica Aplicada (transdutores, condicionamento e filtragem dos sinais), Sistemas

Lineares (teoria da amostragem) e Materiais Elétricos (transdutores).

A outra etapa é a implementação do aplicativo que tem por objetivo manipular

e apresentar os dados ao usuário. Esta parte foi desenvolvida pelo autor desta

monografia, sempre com a devida orientação.

O requisito básico foi o conhecimento da linguagem C e manipulação de

dados discretos, adquiridos nas disciplinas Computação Científica I e Sinais e

Sistemas Discretos. Porém, para a realização do aplicativo em questão, outros

estudos foram realizados sobre a linguagem de programação C++, a comunicação

USB, o sistema operacional MS-Windows, as bibliotecas do MS-Windows (API),

bibliotecas gráficas e a plataforma de desenvolvimento C++ Builder.

Em suma, muito conhecimento e experiência foram adquiridos na realização

deste trabalho. Pessoalmente, o projeto foi uma realização. O sucesso em cada

etapa da pesquisa e da implementação e a utilidade do trabalho contribuíram ainda

mais para a vontade de alcançar os objetivos.

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Bibliografia:

[ 1 ] GOHR, R, J. Projeto e realização de uma fonte de energia para soldagem

multi-processo. 1992. 160 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia

Mecânica) – Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina,

1992.

[ 2 ] LOCATELLI, G. Uma ferramenta computacional para o controle de

processos de soldagem a arco. 2007. 160 f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia Mecânica) – Centro Tecnológico, Universidade Federal de

Santa Catarina, 2007.

[ 3 ] SILVEIRA, Jader Garcia de. Comunicação USB para sistemas de aquisição.

Florianópolis: UFSC, 2007. 111 p. (Projeto de fim de curso).

[ 4 ] KEIL. http://www.keil.com

[ 5 ] PHILIPS. LPC214x. http://ics.nxp.com/products/lpc2000/lpc214x

[ 6 ] Embarcadero Technologies. http://www.embarcadero.com/products/cbuilder

Sites da internet acessados em junho de 2010.

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ANEXO I