Construcao de Anemometro Digital com Sensor FotoElectrico

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Aprenda a construir um anemómetro caseiro com o esquema e circuito apresentado em baixo, um anemómetro digital caseiro de fácil construção com sensor fotoeletrico para medição do vento.

Hoje em dia o nível de exigência para o comando e controlo do fluxo de materiais e de informações é cada vez mais elevado. Tudo se encontra em movimento através de novos produtos, novos materiais e processos de fabricação em direcção à melhor automatização dos diferentes processos.

Em todas as situações, pretendem-se soluções da mais elevada qualidade utilizando para isso, emissores de sinal e sensores. Assim, para a detecção em processos altamente complexos, onde são exigidas rapidez, precisão e viabilidade de funcionamento, as empresas necessitam de um sistema completamente adaptado a todas as aplicações industriais.

O vento percorre sem cessar todos os cantos do planeta, apresentando suas diversas faces, desde brisa quase imperceptível até potentes furacões. Em todos os casos, entretanto, trata-se de um fenómeno que tem uma única definição: é “ar em movimento”.

O conhecimento da velocidade do vento é importante em diversas aplicações, tais como aeroportos, pilotos de asa-delta, pára-quedistas, barcos, indústrias, fonte de energia eólica entre outras.

A velocidade do vento é medida com o anemómetro. Este aparelho pode ser sofisticado e com custo elevado, mas, também é possível criar versões caseiras que servem para proporcionar um estudo e conhecimento de seu funcionamento.

O presente trabalho tem por objectivo demonstrar como fazer um anemómetro para medir a velocidade do vento com baixo custo e possibilitar o conhecimento de sensores utilizados nesta aplicação.

Utilizando-se um anemómetro com conchas (Figura 01) montadas a distâncias iguais e formando ângulos rectos com o eixo vertical, pode-se calcular a velocidade do vento. A força exercida pelo vento na superfície interna da concha é maior do que na externa, assim, as conchas fazem com que o eixo vertical comece a girar e possibilite o registo da velocidade.

FIGURA 1- Anemómetro de conchas com sensor fotoeléctrico

A velocidade de rotação é aproximadamente igual à velocidade do vento, desde que esta seja constante e superior á velocidade mínima necessária para colocar as conchas em movimento.

Quando as conchas giram, são gerados pulsos eléctricos através de um encoder. O encoder é formado pelo conjunto do disco perfurado e um sensor fotoeléctrico (Figura 02). Os pulsos eléctricos são enviados pelo sensor fotoeléctrico para um circuito de controlo (Figura 03) assim que o disco começa a girar. O circuito de controle recebe os pulsos eléctricos e transforma a variação de sua frequência numa variação de tensão.

FIGURA 2 – Encoder formado por um disco perfurado e sensor fotoeléctrico

FIGURA 3- Circuito de controlo (Input – Frequência, Output -tensão)

DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS

A optoelectrónica é uma tecnologia que associa a óptica com a electrónica, baseados na reacção de uma junção pn.

Os componentes optoelectronicos mais conhecidos são os diodos emissores de luz (LED), fotodiodos, optoacopladores, etc.

 

DIODOS EMISSORES DE LUZ (LED)

Em um diodo de junção comum com polarização directa, há uma combinação de portadores na junção (electrões-lacunas). À medida que esses electrões caem de um nível mais alto de energia para um nível mais baixo, eles irradiam energia, sendo uma parte dessa energia emitida em forma de calor e outra parte na forma de fotões.

No silício e no germânio a maior parte dessa energia é emitida na forma de calor, sendo a luz emitida insignificante.

Os diodos LED têm sido actualmente utilizados para indicação em substituição das lâmpadas pilotos convencionais, devido ao seu baixo consumo de energia (baixa tensão e baixa corrente), sua vida longa e rápida comutação on-off (ligadesliga).

Enquanto os diodos comuns são fabricados a partir do silício e do germânio, os LEDs são construídos a partir de elementos como o fosfato de arsenieto de gálio (GaAsP) ou o fosfato de gálio (GaP) e o número de fotões de luz emitida é suficiente para constituir uma fonte de luz bastante visível. O processo de emissão de luz por aplicação de uma fonte eléctrica de energia é chamada de electroluminescência.

O símbolo mais utilizado para representar um diodo LED é mostrado abaixo:

Como o LED é um dispositivo de junção pn ele terá uma característica de polarização directa.

 

FOTODIODOS

O fotodiodo caracteriza-se por ser sensível à luz, isto é, quando a luz incide em sua junção, ocorre uma produção de elétrons e lacunas. Quanto maior for a intensidade luminosa que incide na junção, maior será o número de portadores minoritários e maior será a corrente reversa.

A figura abaixo mostra o símbolo de um fotodiodo:

Em resumo, podemos dizer então que um fotodiodo é um dispositivo que converte a luz recebida em uma determinada quantidade eléctrica.

FOTOTRANSISTOR

Fototransistor é um transistor cujo encapsulamento permite a incidência de luz sobre a junção base-coletor. A corrente gerada pela luz na junção é amplificada pelo transistor, como se fosse uma corrente de base convencional.

A corrente de coletor do fototransistor é, portanto, proporcional à intensidade luminosa incidente sobre o componente.

Na aplicação do fototransistor pode-se usar o mesmo circuito típico do fotodiodo.

As vantagens do fototransistor em relação ao fotodiodo são:

  • A intensidade de corrente maior (em função da amplificação);
  • Existência da base-colector que permite escolher o ponto de operação desejado.

A desvantagem reside no fato de que o tempo de resposta do fototransistor é maior. Modernamente os fototransistores estão sendo utilizados em conjunto com diodos emissores de luz num único encapsulamento, que são chamados de acopladores ópticos.

Este componente é muito utilizado na isolação de estágios de corrente contínua e também corrente alternada nos equipamentos.

SENSOR FOTOELÉTRICO

O sensor fotoeléctrico baseia-se na transmissão e recepção de luz infravermelha, podendo ser refletida ou interrompida pelo objeto a ser detectado.

Este tipo de sensor é composto por dois circuitos básicos: um transmissor (LED – diodo emissor de luz), responsável pela emissão do feixe de luz, e o receptor (fototransistor ou fotodiodo), responsável pela recepção do feixe de luz.

Os sensores ópticos são capazes de detectar vários tipos de objectos. Os objectos transparentes, entretanto, não podem ser detectados por ele.

Através do sensor foto-eléctrico é possível a aplicação de encoders, onde um disco perfurado permite a passagem ou não do feixe de luz. Desta forma a posição ou velocidade é registada contando-se o número de pulsos gerados obtendo uma frequência.

FUNCIONAMENTO CIRCUITO DE CONTROLE

A frequência de pulsos captados pelo sensor gera uma onda quase quadrada (Figura 4) que é enviada ao circuito integrado LM741 que torna esta onda dos pulsos vindos do sensor em uma onda perfeitamente quadrada (Figura 5).

Figura 4 – Onda quase quadrada

Figura 5 –  Onda perfeitamente quadrada

A onda fornecida pelo circuito integrado LM741 é enviada para outro circuito integrado LM331 que transforma a freqüência de pulsos em uma variação de tensão.

Utilizando-se um frequencímetro pode-se verificar qual é a frequência gerada pelo encoder na saída do circuito integrado LM741. A variação da tensão é verificada colocando-se um voltímetro na saída do circuito integrado LM331.

Basicamente pode-se dizer que o circuito de controle transforma a variação da frequência em uma variação de tensão, sendo que esta aumenta linearmente conforme as conchas do anemómetro giram (Gráfico 1).

Gráfico 1 – Variação linear da tensão em relação à frequência

Material utilizado

  • 1 fonte de tensão simétrica -12, +12;
  • 1 sensor fotoeléctrico (foto-diodo, e foto-transistor);
  • 1 LM 741;
  • 1 LM 331;
  • 1 placa de montagem padrão;
  • resistências e condensadores diversos, (conforme indicado no esquema electrónico);
  • 1 caixa plástica 100X100mm;
  • 1 disco de alumínio com 50 furos nas bordas, com 50mm de raio, e 2mm de espessura;
  • 1 haste de ferro pontiaguda de 250mm de comprimento, 5mm de espessura;
  • 1 suporte de sustentação tipo “U”, para haste;
  • 2 bolas de ping-pong.

Montagem – Parte mecânica

O disco perfurado é suspenso pela haste a uma altura de 50mm da base, e fixado com cola, nesta mesma haste, mais a cima, encontra-se quatro braços que/ sustentas as conchas de captação do vento, o suporte em forma de “U”, é posto em uma posição a qual a haste fique a exactamente 90º da base, a haste pontiaguda serve para reduzir o atrito com o suporte, o sensor fotoeléctrico é montado de forma que o disco fique entre o emissor e o receptor do mesmo.

Montagem – Parte electrónica

A montagem da parte electrónica do projecto foi montada conforme circuito abaixo. Este circuito foi baseado no datasheet de cada circuito integrado.

Esquema Electrico Anemometro

A frequências e a tensão da tabela 01 foram obtidas da leitora de um frequencímetro e um voltímetro respectivamente, já o número de rotações por segundo (RPS) foi calculada sabendo que o disco perfurado tem 50 furos, e que se uma volta completa em exactamente 1 segundo, ela fornece ao sistema 50 ciclos (HZ).

A velocidade em m/s foi calculada a partir da circunferência em que as conchas de captação do vento giram. Encontra-se a circunferência utilizando a fórmula descrita na tabela 1.

Multiplicando-se a circunferência é pelo número de RPS, encontra-se a velocidade. O número de rotações por minuto (RPM) foi obtido com ajuda de um tacómetro e confirmada através de cálculos. Sabendo que em 100HZ de frequência é 2 RPS, multiplica-se os RPS por 60 segundos encontra-se as RPM.

Tabela 1 –  Descrição dos dados obtidos

CONCLUSÃO

O crescente grau de automação seja de processos industriais ou não, conduz a uma maior participação de sensores e unidades de controle, utilizados em máquinas e equipamentos.

Os sensores são órgãos sensitivos das máquinas. Por meio deles é verificada a variável medida e executada determinada tarefa através do circuito de controle. Os sensores são utilizados para atender as necessidades de todos os ramos da automação, proporcionando maior flexibilidade, controle, qualidade, segurança e agilidade em processos automáticos, gerando também menor dispêndio de energia e materiais.

Os resultados obtidos permitiram verificar que o protótipo do anemómetro desenvolvido apresenta uma boa resposta à faixa de velocidades levantadas no laboratório, contudo devem ser feitas uma série de modificações e aperfeiçoamento em sua parte mecânica e electrónica para que o sistema forneça resultados mais apurados e com uma visualização mais prática.

Devido à diversificação de factores que podem causar influência sobre a operação de um sensor, as informações aqui citadas não garantem o funcionamento sem que o usuário faça seus próprios testes e experiências.

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