O banco de ensaios utilizado foi concebido para permitir a caracterização do conjunto turbocompressor e para realização dos ensaios funcionais do protótipo de uma miniturbina a gás. Para tal, se fez necessário o monitoramento das grandezas essenciais para o acompanhamento dos fatores de desempenho do conjunto como pressão, vazão, temperatura, rotação, condições ambientais entre outros. Contudo, soluções prontas de instrumentação e controle oneram por demais os custos das pesquisas e diante desta barreira é que surgiu a proposta de criar um sistema de instrumentação com custo viável, confiabilidade, domínio tecnológico e flexibilidade para tratamento dos dados aquisitados.

Baseando-se no conhecimento herdado de projetos anteriores com o objetivo de desenvolver um sistema de aquisição de dados via interface USB, economicamente viável, iniciou-se o estudo dos microcontroladores PIC da Microchip e também das placas de aquisição de dados NIDAQmx 6008/6009 da National Instruments. Optou-se pelo desenvolvimento do software de aquisição de dados utilizando-se o ambiente de desenvolvimento da Borland, o Delphi 2006, o que forçou a criação de uma unidade de interfaceamento para chamada de funções dos aquisitores utilizados, uma vez que a National Instruments não oferece, oficialmente, suporte ao Borland Delphi. Foram aperfeiçoados condicionadores de sinal para termopares do tipo K, com compensação de junta fria com saída analógica e digital, além do aprimoramento de um controlador PID para válvulas tipo borboleta e também um controlador para válvulas do tipo esfera. Também foi desenvolvido um tacômetro óptico associado a um tacogerador microprocessado para permitir a calibração do sensor com maior precisão. Foi adaptado um sistema controlador de chama da Ecogás para efetuar a ignição e detectar a presença da chama na câmara de combustão.

Foram realizados ensaios estáticos e dinâmicos na miniturbina, sendo que os ensaios dinâmicos foram executados com dois tipos de estímulos em degrau. Também foram realizados ensaios de resposta para determinar a inércia do  sistema. Para a instrumentação foram utilizados: placas de orifício para medição de vazão; termopares do tipo K para medição de temperatura; sensores piezoresistivos de pressão do tipo MEM (microeletromechanical device); tacômetros ópticos para medição da velocidade do conjunto turbocompressor; sensores de ionização para detecção de chama; sensores para detecção de O₂, CO_2, CO e hidrocarbonetos. Foi construído um esquema de instrumentação onde são apresentados todos os tipos de sensores, faixa de medição, incerteza e o procedimento de calibração de cada um deles. Também foram construídos controladores de vazão utilizando-se motores de passo com “resolvers” por efeito “Hall” em malha fechada com controle PID digital microcontrolado. O sistema de segurança foi projetado para que todas as válvulas se desloquem para uma posição padrão em caso de falha no sistema de comunicação, sendo que as válvulas de alimentação de combustível devem cortar o fluxo nesta situação. A aquisição de dados foi feita através de interface USB, com programação orientada a objetos, sendo apresentado o diagrama de classes do programa de aquisição. Os objetos de aquisição de dados oferecem a opção de escolha do tipo de filtro utilizado para tratamento estatístico dos dados.

O sistema de instrumentação proposto se mostrou suficiente e satisfatório para o ensaio proposto. O trabalho apresenta algumas curvas de desempenho do compressor e da turbina ensaiados, além de outros parâmetros operacionais da montagem. Contudo, foram necessárias algumas modificações no projeto de instrumentação em função de características operacionais da miniturbina. Os sensores de pressão responsáveis por monitorar as zonas quentes da miniturbina mostraram-se sensíveis ao calor, sendo necessário colocar óleo de silicone nos condutos para proteção dos mesmos. Os tacômetros ópticos mostraram-se muito difíceis de posicionar-se, sendo necessário o estudo de técnicas que necessitem de menor intervenção mecânica para medição da velocidade do conjunto turbocompressor. Para trabalhos futuros a substituição do controlador de chama da Ecogás por um novo sistema microcontrolado permitirá uma maior automatização e controle do processo. Foi possível conseguir taxas de aquisição adequadas às freqüências do sistema ensaiado usando a interface USB.

Instituição de fomento: FAPEMIG através do processo no 1647/04. Irmãos Ayres S/A, através do projeto PAPPE. CNPq que cedeu uma bolsa de inciação científica pelo progr. PIBIC.

Trabalho de Iniciação Científica