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How to cite this paperAn. 5. Enc. Energ. Meio Rural 2004
Sistema de monitoramento de fontes de energias renováveis
Teófilo Miguel de Souza; Mário Afonso Ribeiro do Canto
CER-Centro de Energias Renováveis UNESP - Campus Guaratinguetá - SP E-mail: teofilo@feg.unesp.br
RESUMO
O desenvolvimento de técnicas e produtos para aproveitamento de fontes de energias renováveis depende de parâmetros econômicos e técnicos que resultam de análises de rendimento e desempenho para a sua implementação. Com o objetivo de proporcionar e facilitar o acesso as informações sobre o futuro desempenho de produtos e técnicas de geração de energia de fontes alternativas e renováveis de energia, foi desenvolvido um projeto de coleta e armazenamento de dados de custo reduzido e de visualização facilitada. O sistema desenvolvido em plataforma de software de instrumentação LabView controla um sistema de aquisição de dados via interface RS-232 e armazena os dados em planilhas Excel ou Arquivos texto, dependendo do tipo de aplicação. O sistema de aquisição de dados consiste num circuito de condicionamento de sinais analógicos para sinais digitais, um circuito de controle e um circuito de comunicação tipo interface serial assíncrona RS-232.
Palavras chave: Conversor analógico/digital, energia alternativa, aquisição de dados, RS-232, condicionamento de sinais, temperatura.
ABSTRACT
The development of techniques and products for use of sources of energy renewed it depends on economic and technical parameters that result of revenue analyses and acting for its improvement. With the objective of to provide and to facilitate the access the information on the future acting of products and techniques of generation of energy of alternative sources and you renewed of energy, it was developed a collection project and storage of data of reduced cost and of facilitated visualization. The system developed in platform of software LabView controls a system of acquisition of data through interface RS-232 and it stores the data in files Excel or Files text, depending on the application type. The system of acquisition of data consists of a circuit of conditioning of analogic signs for digital signs, a control circuit and a circuit of communication type interface serial asynchronous RS-232.
1 Introdução
O projeto tem como objetivo o desenvolvimento de um sistema de coleta de dados para avaliação e comparação dos sistemas de fontes de energias instaladas e outros sistemas de fontes de energia desenvolvidos no Laboratório de Energias Renováveis da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá. O desenvolvimento do trabalho foi realizado na plataforma LabView com acesso aos dispositivos de medição através de uma placa de aquisição e condicionamento de sinais conectados a um microcomputador instalado no laboratório via interface RS-232. A monitoração será realizada com a coleta e armazenamento de dados dos seguintes sistemas:
Temperatura e vazão de água nos aquecedores solares de água e respectivo depósito;
O sistema armazena os dados em planilhas do Excel ou arquivos texto para facilitar o acesso dos dados para análises. A placa condicionadora contém até 8 canais de entrada analógicos e pode ser definida como 4 entradas para medição de temperatura através de termopares tipo J ou k com barramento isotérmico e compensação de junta fria. As demais entradas analógicas são utilizadas para medição de tensões resultantes dos sistemas de geração de energia onde são aplicados divisores de tensão nos pontos de medição para que os valores mensurados sejam proporcionais aos valores admissíveis na entrada do conversor analógico/digital.
2 Materiais:
A definição dos materiais utilizados baseou-se na redução de custos na escolha dos materiais empregados. A escolha dos termopares baseou-se na sua robustez em relação a sua instalação externa sob diversas condições atmosféricas. Devido a característica de protótipo no circuito de condicionamento e aquisição, foram escolhidos componentes de custo reduzido devido a sua simplicidade e já estarem no mercado a algum tempo. Como a velocidade de aquisição dos dados não é um ponto crítico neste sistema, a interface RS-232 foi escolhida devido a sua disponibilidade em qualquer microcomputador.
O software Labview é um ambiente de programação gráfica que permite o desenvolvimento de sistemas de aquisição de dados, instrumentação e controle. A programação é desenvolvida através de diagrama de blocos, facilitando o desenvolvimento de sistemas de aquisição e controle de dados, análise e apresentação de soluções.Desta forma, o Labview acelera o desenvolvimento de sistemas em relação a outras linguagens de programação de 4 para 10 vezes [2].
3 Sistema de Monitoramento
O sistema de monitoramento é desenvolvido em plataforma LabView e fornece um sistema visual gráfico para acompanhamento das condições das fontes de energias renováveis existentes no laboratório. O sistema verifica os níveis de temperatura da água nos sistemas de aquecimento solar, os níveis de tensão do gerador instalado no cata-vento principal, no cata-vento naval e no gerador da micro-hidroelétrica, monitora a velocidade de rotação do cata-vento e sistemas a serem desenvolvidos no laboratório. O sistema realiza medições que podem ser configuradas de pelo menos uma vez por segundo, dependendo da necessidade de volume de dados. Os dados são mostrados em forma de gráfico em tempo real e para facilitar a visualização em períodos de um dia é mostrado um gráfico com o comportamento diário.
A figura 1 mostra um exemplo da tela de aquisição com apenas três sistemas sendo monitorados.
Cada fonte de energia é monitorada através de um gráfico independente e o número de amostras pode ser modificado em cada gráfico. Os valores a direita indicam os valores máximo, mínimo e a média destes valores obtidos durante o período de um dia. Os dados são armazenados inicialmente em arquivos tipo texto e dependendo da configuração pode se obter uma saída diretamente para um arquivo tipo Microsoft Excel.
4 Condicionamento dos sinais
Os sinais obtidos das fontes de energia, são níveis de tensão que devem ser condicionados para que possam ser inseridos no dispositivo de conversão para sinais digitais para serem processados pela interface de comunicação e enviados ao microcomputador para processamento e cálculos de conversão para que a informação possa ser inteligível pelo usuário. Os sinais dos sensores de temperatura correspondem a alguns milivolts devido a geração da força eletromotriz entre a junção do termopar e o circuito de compensação de junta fria. Este sinal deve ser amplificado para que corresponda a faixa de conversão do conversor analógico/digital. Os sistemas de rotação são inseridos diretamente num contador e transferidos para o microcomputador via outra porta RS-232. Os sistemas de condicionamento estão descritos detalhadamente a seguir:
4.1 Sistema de conversão de sinais
O conversor analógico-digital de 8 bits de codificação e 8 canais de entrada pode ser dividido em dois blocos principais: Um multiplex/seletor e um conversor A/D. O multiplex/seletor digital é composto de 8 canais multiplexados, um registrador de seleção de canais de 3 bits e alguns circuitos de decodificação de seleção de canais. A saída do multiplexador normalmente alimenta a entrada do maior bloco funcional, que é, o conversor A/D. Este conversor é do tipo de conversão por aproximações sucessivas, que é composto de um comparador, sistemas de resistores em degraus 256R, um registrador de aproximações sucessivas (SAR), um controle lógico e um barramento de saída de dados. A figura 2 mostra o esquema simplificado do conversor ADC0808 de oito bits. A codificação de 8 bits possibilita que o sinal de entrada pode ser subdividido em 256 partes, ou seja, a resolução da saída pode ser de até 1 parte em 256, dependendo do valor do sinal de referência.
O conversor deve ser alimentado com uma tensão de referência estável e conhecida, pois as codificações dos sinais analógicos serão relativos ao valor de referência. No caso deste dispositivo, a tensão de referência utilizada é de 2,5 V.
4.2 Sinais de indicação de temperatura
São utilizados termopares tipo J como sensores para indicação de temperatura. Os termopares fornecem uma tensão de alguns microvolts em relação a diferença de temperatura entre duas junções. Como a temperatura ambiente varia conforme o tempo, esta temperatura deve ser conhecida e compensada para que a diferença entre o pondo de medição e o ponto de junção forneça uma diferença de potencial equivalente a diferença entre o ponto de 0° e a temperatura que se quer determinar. Como a entrada do conversor possui uma boa resolução na faixa de dezenas de milivolts até aproximadamente 2,5 V a saída do circuito deve ser amplificada para uma entrada adequada no conversor A/D.
O circuito proposto utiliza um circuito integrado modelo LM35 que mede a temperatura da junção e automaticamente fornece uma tensão proporcional a 10 mV/°C. Como o termopar escolhido fornece uma tensão de aproximadamente 50,2 μV/°C, é necessário a utilização de um circuito divisor para corrigir a saída do LM35. É utilizado um resistor de 100 kΩ em série com a saída em um resistor de 505 Ω. A junção deve ter um bloco isolante isotérmico nas junções dos fios do termopar com os fios de cobre (1,2). Os valores de tensão são convertidos em valores de temperatura por meio de software utilizando equações definidas pela ITS-90.
Para uma faixa de medição de temperatura de (0 a 120) °C, a saída do sistema deve ser amplificada numa razão de 400 vezes. Com a utilização de um amplificador operacional a saída é obtida numa faixa de tensão de (0 a 2,4) V. Para um conversor de 8 bits, ou seja, 256 passos, a saída pode ser obtida com uma resolução de aproximadamente 0,5 °C.
Para converter o valor convertido na placa condicionadora, deve ser realizado primeiramente a conversão do caracter ascii de entrada para o valor hexadecimal correspondente. Este valor corresponde a uma proporção num inteiro de 256 que eqüivale a mesma proporção do valor de referência e o valor da entrada analógica ampliada 400 vezes.
4.3 Sinais de indicação de tensão dos geradores e dos painéis foto-voltaicos
Os valores de tensão típica nos geradores dos sistemas de cata-vento e dos painéis foto-voltaicos estão na ordem de até 14 V. A tensão fornecida pelos painéis foto-voltaicos não necessita de retificação enquanto que a saída de tensão do gerador deve ser retificada para alimentação do circuito de tensão contínua e o sistema de carga para as baterias. São utilizados divisores de tensão com resistências para dividir a saída das fontes numa proporção de 10:1 evitar danos na entrada do circuito de conversão. Os valores escalonados de tensão são compensados via software no processamento dos sinais. O circuito divisor é mostrado a seguir:
4.4 Sistema de indicação de rotação do cata-vento e da turbina da micro-hidroelétrica
Circuito de Controle de rotação utilizando sensores ópticos e contador EM83702A com circuito de comunicação RS-232. É utilizada uma outra interface de comunicação do microcomputador para medição de rotação dos sistemas alternativos.
5 Considerações sobre o sistema
A implantação de uma coleta de dados em sistemas de aproveitamento de energia alternativa de fontes renováveis possibilita uma melhoria na confiabilidade de avaliação de desempenho de dispositivos comerciais ou de dispositivos em desenvolvimento. A versatilidade do software em realizar mudanças de configurações permite a inclusão vários tipos de sensores permitindo alternativas para avaliação de resultados. O uso da interface serial RS-232 permite a instalação da placa de condicionamento de pelo menos a 20 m da localização do microcomputador e utilizando a versão executável, o programa pode executar em computadores P-486 ou acima.
Dependendo do nível de necessidade quanto a exatidão e resolução, o conversor analógico/digital de 8 bits pode ser substituído por um conversor analógico/digital de 12 bits, que permite que a faixa de medição possa ser escalonada em 4096 partes. Pode ser possível a utilização de um conversor analógico/digital com um número maior de entradas, que possibilita a avaliação de um número maior de dispositivos ou a adição de sensores de controle.
Referências:
Temperature Sensor Handbook. National Semicondutor. Disponível em: <http://www.national.com> , acesso em 15/04/2004.
ADC0808/ADC0809 8-bit uP Compatible A/D Converters with 8-Channer Multplexer. National Semicondutor. Disponível em: <http://www.national.com> , acesso em 15/04/2004.
Interface Circuits for TIA/EIA-232-F. Texas Instruments. Disponível em: <http://www.ti.com> , acesso em 20/04/2004.
MAX232, MAX232I, Dual EIA-232 Drivers/Receivers. Texas Instruments. Disponível em: <http://www.ti.com> , acesso em 20/04/2004.
NA-247, Using the ADC0808/ADC0809 8-bit uP Compatible A/D Converters with 8-Channer Analog Multplexer. National Semicondutor. Disponível em: <http://www.national.com> , acesso em 15/04/2004.