UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

ESCOLA DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

ENERGIA E FENÔMENOS DE TRANSPORTE

Psicrômetro de Bulbo Úmido com Aquisição de Dados

Por

Karl Wilhelm Marshall Dopheide

Luiz Rebelatto Neto

Rafael Ramanzini

Trabalho Final da Disciplina de Medições Térmicas

Professor Paulo Smith Schneider

pss@mecanica.ufrgs.br

Porto Alegre, 08 janeiro de 2013

2

Conteúdo:

Conteúdo: ................................................................................................................... 2

Índice de Figuras ........................................................................................................ 3

Índice de Tabelas: ...................................................................................................... 3

Resumo ...................................................................................................................... 4

Abstract ...................................................................................................................... 5

1. Introdução: ......................................................................................................... 6

2. Revisão Bibliográfica: ......................................................................................... 7

3. Fundamentação Teórica: .................................................................................... 8

3.1. Composição do Ar e da Atmosfera Padrão: .................................................... 8

3.2. Parâmetros de umidade: ................................................................................. 9

3.3. Propriedades termodinâmicas do ar úmido na saturação: ............................ 10

3.4. Relação de Gás Perfeito para o Ar Seco e Úmido: ....................................... 11

3.5. Temperatura de bulbo úmido: ....................................................................... 12

4. Técnicas Experimentais: .................................................................................. 14

4.1. Procedimento de Calibração: ........................................................................ 15

4.2. Montagem da interface de Usuário no Pc: .................................................... 18

4.3. A Montagem do Aparelho: ............................................................................. 19

5. Resultados: ...................................................................................................... 24

6. Conclusões: ...................................................................................................... 25

7. Bibliografia ........................................................................................................ 26

8. Anexos: ............................................................................................................ 27

3

Índice de Figuras

Figura 1: Higrômetro de Cabelo, início do Século XX ................................................ 7 Figura 2: Pack’s individuais dos sensors PT100 ...................................................... 14 Figura 3: Identificação do sensor 12349295 e sua designação para Tbs. ................. 15 Figura 4: Identificação do sensor 12349256 e sua designação para Tbu. ................ 15 Figura 5: Curva de Calibração Resistência x Temperatura, e curva padrão dos

sensores ........................................................................................................................ 17 Figura 6: Interface do usuário no ambiente LabView ............................................... 18 Figura 7: Parte do diagrama de blocos do psicrômetro virtual ................................. 19 Figura 8: Visão geral do psicrômetro........................................................................ 20 Figura 9: Partes constituintes do psicrômetro. ......................................................... 20 Figura 10: Detalhe da montagem dos sensores PT100. .......................................... 21 Figura 11: Detalhe da tampa cega utilizada como reservatório. .............................. 21 Figura 12: Detalhe da montagem do tecido do bulbo úmido. ................................... 22 Figura 13: Visão da montagem do redutor. .............................................................. 22 Figura 14: Detalhe da montagem do ventilador de exaustão. .................................. 23

Índice de Tabelas:

Tabela 1: Composição do Ar Seco % em Volume. .................................................... 8 Tabela 2: Constantes para a Equação 6 .................................................................. 10 Tabela 3: Dados de leitura do procedimento de calibração e dados padrão do

fabricante. ...................................................................................................................... 16 Tabela 4: Valores obtidos experimentalmente na bancada de testes ...................... 24

4

Resumo

O presente trabalho tem como objetivo demonstrar a técnica de aplicação da ter-mometria na confecção de instrumentos de medição e de monitoramento de ambientes. Com base no desafio proposto pela disciplina de Medições Térmicas executou-se uma pesquisa de campo sobre qual o melhor método para realizar a medição do problema proposto. O primeiro método baseia-se na medição da umidade relativa através de um higrômetro de absorção, mas apesar de sua simplicidade de manufatura sua aplicação foi descartada pois sua leitura é muito lenta e ela apresenta um erro em torno de 2%, outra ressalva é a impossibilidade de se automatizar a coleta de dados. O segundo mé-todo baseia-se no psicrômetro de bulbo úmido, o qual tem como princípio de funciona-mento na termodinâmica, seu erro de leitura é em torno de 1% (garantido pelo fabrican-te do sensor), tem uma melhor resposta dinâmica das condições de leitura, além de haver a possibilidade de se coletar e armazenar dados. Essa técnica consiste em obter duas leituras através de dois sensores de temperatura do tipo PTC (Positive Tempera-ture Coefficient), um de bulbo seco que monitora a temperatura do ambiente e outro de bulbo úmido que monitora a taxa de evaporação da água sobre um substrato higroscó-pico, no caso um tecido de algodão. Os sensores do tipo PT100 utilizados na confec-ção desse equipamento foram fornecidos juntamente com suas curvas de calibração divulgadas pelo fabricante. O próximo passo foi desenvolver um instrumento que permi-ta ler, calcular e tratar os dados obtidos pelos sensores. Para tal tarefa utilizou-se um ambiente de desenvolvimento chamado LabView da National Instruments e no qual foi desenvolvido um instrumento virtual que através de uma interface gráfica calcule e a-presente os valores de leitura obtidos em tempo real por uma porta serial PC. O equi-pamento é apresentado na forma de um tubo em T de PVC padrão o qual pode ser a-coplado na tubulação a ser medida. Como dispositivo auxiliar foi acoplado um ventila-dor de baixa velocidade para que este renove a câmara dos sensores impedindo erros de medição devido ao ar úmido estagnado. Os dados obtidos com as leituras foram satisfatórios e apresentaram valores dentro do previsto pelo fabricante dos sensores. Para as temperaturas da primeira medição os valores obtidos para Tbu= 18°C e para a Tbs= 24°C, o que corresponde a um valor para UR de 55%, e para uma segunda medi-ção os valores obtidos para Tbu= 26°C e para a Tbs= 35°C, o que corresponde a um valor para UR de 51%. Tais valores podem ser verificados em qualquer carta psicromé-trica. Na interface gráfica poderá ser implementado um sistema de aquisição de dados de pressão atmosférica automático, para que este equipamento possa operar em qual-quer condição atmosférica.

Palavras chave: Termometria, Psicrometria, Psicrômetro de Bulbo Úmido, monito-ramento de ambientes, meteorologia.

5

Abstract

This paper aims to demonstrate the application of thermometry technique in the manufacture of measuring and monitoring environments. Based on the challenge posed by the discipline of Thermal Measurements ran up a field survey on the best method to perform the measurement of the proposed problem. The first method is based on mea-suring the relative humidity using an absorption hygrometer, but despite its simplicity manufacturing application was dismissed because his reading is very slow and it has an error around 2%, another caveat is the inability to automate data collection. The second method is based on a wet bulb psychrometer, which has the working principle in the thermodynamics concepts, its read error is around 1% (guaranteed by the sensor manufacturer), has a better dynamic response of the reading conditions, besides having the possibility to collect and store data. This technique is to obtain two readings by two temperature sensors PTC type (Positive Temperature Coefficient), a dry bulb which monitors the temperature of the ambient wet bulb and another that monitors the rate of water evaporation on a substrate hygroscopic, in this case a cotton fabric. PT100 type sensors used in the manufacture of this equipment were provided along with their cali-bration curves published by the manufacturer. The next step was to develop an instru-ment to read, calculate and process the data obtained by the sensors. For this task we used a development environment called National Instruments LabView and was devel-oped in which a virtual instrument which through a graphical user interface calculate and display the values read obtained in real time by a PC serial port. The equipment is presented in the form of a T tube in standard PVC which can be coupled to the pipe to be measured. As auxiliary device was coupled a low speed fan to renew this chamber sensing prevents measurement errors due to stagnant humid air. The data obtained from the readings were satisfactory and showed values within the sensor provided by the manufacturer. For the first temperature measurement values obtained to Tbu=18°C and the Tbs=24°C, which corresponds to a value for 55% RH, and a second measure-ment values obtained to Tbu=26°C and the Tbs=35°C, which corresponds to a value of 51% RH. These values can be checked at any psychrometric chart. In the graphical in-terface can be implemented a data acquisition system for automatic atmospheric pres-sure to allow this equipment to operate in any atmospheric condition.

Keywords: Thermometer, Thermometry, Psychrometrics, Wet Bulb Psychrometer, Monitoring Environments, Meteorology.

6

1. Introdução:

A necessidade de se monitorar e controlar ambientes impulsionou o homem mo-derno a criar novas técnicas de se medir e quantificar a temperatura e a umidade relativa do ar. Os primeiros métodos consistiam em utilizar materiais hidrófilos tais como tecidos orgânicos como tecidos de algodão, fios de cabelo, peles de animais e inorgânicos como os sais. Os mais utilizados e difundidos pela comunidade cientí-fica no início do século 20 foram os higrômetros de absorção utilizando fios de ca-belo, que consistiam num dispositivo no qual se fixava numa extremidade o feixe de cabelos e na outra uma mola na qual mantinha esse mesmo feixe esticado, nessa mesma extremidade era fixado um balancim que amplifica o deslocamento de um ponteiro devido ao estiramento ou encolhimento dos fios, na extremidade desse ponteiro havia uma escala na qual indicava o percentual de vapor d’água que o fei-xe de cabelos absorvia em relação ao ambiente em que ele estava exposto. Sua resposta de leitura era muito lenta e tinha um erro associado em torno de 2%. Esse método foi largamente utilizado até que surgiu a necessidade de se coletar valores precisos e instantâneos dessas medições. A evolução dessa técnica de medição foi o advento do uso do psicrômetro de bulbo úmido. Esse dispositivo tem como princi-pais componentes dois termômetros, o primeiro de bulbo seco que, isolado da radi-ação térmica, monitora a temperatura do ambiente. O segundo termômetro, o de bulbo úmido, tem fixado na sua extremidade um material hidrófilo que fica constan-temente em contato com um meio aquoso. Através do princípio termodinâmico da transformação do calor sensível em calor latente da evaporação da água no materi-al hidrófilo, a diferença de temperatura entre o bulbo seco e o bulbo úmido, e verifi-cando sua relação em uma tabela, temos assim a umidade relativa de vapor d’água no ambiente.

Hoje, não bastassem os valores mais precisos dos psicrômetros de bulbo úmido, a necessidade de se coletar dados e interagir quase que instantaneamente as vari-ações dessas medições foi introduzida a utilização de sensores que simulassem esses termômetros. Utilizando o mesmo princípio termodinâmico, a diferença de temperatura agora, é representada pela variação de resistência nos sensores do ti-po PTC (Positive Temperature Coefficient),sensor de temperatura de coeficiente positivo e NTC (Negative Temperature Coefficient), sensor de temperatura de coefi-ciente negativo. A variação dessa resistência é convertida num sinal elétrico e que posteriormente é enviado para uma porta de comunicação de dados de um PC no qual poderá, em tempo real, armazenar os dados obtidos, processar, apresentar os resultados numa interface gráfica ao usuário, gerar relatórios, ou num processo au-tomatizado enviar sinais de controle para dispositivos efetuadores que modifiquem as condições do ambiente monitorado.

7

Figura 1: Higrômetro de Cabelo, início do Século XX

2. Revisão Bibliográfica:

Atualmente os esforços da comunidade científica estão voltados para os mais variados campos de aplicação dos sensores de umidade, tais como a meteorologia, a agropecuária, controle de ambientes hospitalares, de pesquisa, ambientes resi-denciais, comerciais e industriais. Outra corrente está direcionada para o desenvol-vimento de novas metodologias para a diminuição dos erros de medição e na me-lhoria do desempenho dos mais variados tipos de sensores, assim como na diminu-ição dos custos da sua aplicação junto ao usuário final do equipamento.

Se verificam tais esforços em trabalhos de mestrado como o de Anderson Mar-celli Palmieri em “Desenvolvimento Automatizado de Baixo Custo para Coleta e Ar-mazenamento de Dados de Variáveis Climáticas: Aplicações no Ambiente Agrícola”. No âmbito internacional vemos trabalhos que dizem respeito aos aspectos de fun-cionamento do psicrômetro, tal como a influência da ventilação do ar nos sensores no trabalho de R. G. Harrison ET all em ”Ventilation effects on humidity measure-ments in thermometer screens” uma publicação da Royal Meteorological Society, 2012.

No trabalho de A. Ustymczuk e S.A. Giner ,2011, “Relative humidity errors when measuring dry and wet bulb temperatures“ obtemos informações de como lidar com erros ao medirmos umidade relativa com temperaturas de bulbo seco e bulbo úmi-do.

8

3. Fundamentação Teórica:

A psicrometria é a ciência que estuda as propriedades termodinâmicas do ar úmido e o uso destas propriedades na análise das condições e processos que envolvem o ar úmido (Beyer, 2012). O princípio de funcionamento do psicrômetro está fundamentado nesse comportamento termodinâmico do ar úmido e devido a isso devemos em princí-pio conhecer e compreender o que é ar seco, o que é ar úmido e o que é o ar atmosfé-rico.

3.1. Composição do Ar e da Atmosfera Padrão:

• Ar seco: É uma mistura de diversos componentes gasosos de proporções relativamente constantes, os quais estão apresentados na Tabela 1 que se-gue abaixo:

Componente % (Volume) Nitrogênio 78,084 Oxigênio 20,9476 Argônio 0,934 Dióxido de Carbono 0,0314 Neônio 0,001818 Hélio 0,000524 Metano 0,00015 Dióxido de Enxofre até 0,0001 Hidrogênio 0,00005 Criptônio, Xenônio e Ozônio 0,0002

Tabela 1: Composição do Ar Seco % em Volume.

Pequenas variações das quantidades dos componentes podem variar de acordo com a posição geográfica, condições climáticas e altitude.

• Ar úmido: Mistura binária de ar seco e vapor d’água, sendo que a quantida-de de vapor d’água presente nessa mistura varia de zero, que é o ar seco, até um máximo que depende da temperatura e pressão. Esse máximo é a saturação do vapor d’água que é um estado de equilíbrio neutro entre o ar úmido e as fases condensadas d’água.

• Ar atmosférico: É a mistura de ar úmido e componentes contaminantes co-mo fumaça, fuligem, poeira e poluentes gasosos particulados. A atmosfera padrão é considerada a do nível do mar 101325kPa, temperatura de 15°C e aceleração da gravidade padrão é constante e vale 9,81m/s2.

9

3.2. Parâmetros de umidade:

A massa total do ar úmido M, em kg, pode ser calculada pela equação:

𝑴𝑴 = 𝑴𝑴𝒂𝒂 + 𝑴𝑴𝒘𝒘 Equação 1

Onde:

• Ma é a massa de ar seco, em kga; • Mw é a massa de vapor d’água, em kgw;

Como a massa de vapor d’água varia de zero até um máximo em função da temperatura, é mais fácil relacionar essas quantidades num razão dessas duas massas que é a relação de umidade ou conteúdo de umidade:

𝑾𝑾 = 𝑴𝑴𝒘𝒘𝑴𝑴𝒂𝒂

Equação 2

Onde:

• W é o conteúdo de umidade, em kgw/kga;

Termodinâmicamente W não é adimensional, visto que ele está relacionando duas massas diferentes: uma de ar seco e outra de massa de vapor d’água.

Agora se o ar estiver saturado, o conteúdo de umidade é descrito pela formu-la:

𝑾𝑾𝒔𝒔 = 𝑴𝑴𝒘𝒘𝒔𝒔𝑴𝑴𝒂𝒂

Equação 3

Onde:

• Ws é a umidade absoluta da saturação, em kgw/kga; • Mws é a massa de vapor d’água na saturação, kgw;

Caso o ar estiver abaixo da saturação, o grau de saturação, agora pode ser definido pela equação:

𝝁𝝁 = 𝑾𝑾𝑾𝑾𝒔𝒔𝑻𝑻,𝒑𝒑

Equação 4

O qual µ é o grau de saturação para temperatura e pressão constantes.

10

3.3. Propriedades termodinâmicas do ar úmido na saturação:

Para o ar úmido, por ser uma mistura binária, a sua pressão total p , em Pa, é a soma das pressões parciais dos seus componentes como pode ser visto na equa-ção:

𝒑𝒑 = 𝒑𝒑𝒂𝒂 + 𝒑𝒑𝒘𝒘 Equação 5

Onde:

• pa é a pressão parcial do ar seco, em Pa; • pw é a pressão parcial do vapor d’água, em Pa;

A pressão parcial do vapor d’água também varia de um valor zero (correspondendo ao ar seco) até um máximo que depende da temperatura da mistura. Tal pressão cor-responde a uma aproximação da pressão de saturação do vapor d’água pura na tem-peratura em que está a mistura e pode ser obtida de tabelas termodinâmicas de água saturada nas fases líquido-vapor. Para cálculos computacionais, ajustamos os dados da tabela conforme a seguinte equação:

𝒑𝒑𝒘𝒘𝒔𝒔 = 𝒆𝒆 𝑪𝑪𝟏𝟏𝑻𝑻+𝑪𝑪𝟐𝟐+𝑪𝑪𝟑𝟑∙𝑻𝑻+𝑪𝑪𝟒𝟒∙𝑻𝑻𝟐𝟐+𝑪𝑪𝟓𝟓∙𝑻𝑻𝟑𝟑+𝑪𝑪𝟔𝟔∙𝐥𝐥𝐥𝐥 𝑻𝑻

Equação 6

Onde:

• pws é a pressão de saturação do vapor d’água sobre a água liquida na faixa de 0 a 473K, em Pa,

• Valores das constantes conforme a tabela seguinte:

C1 -5,8002206.103 C2 1,3914993 C3 -4,8640239.10-2 C4 4,1764768.10-5 C5 -1,4452093.10-8 C6 6,5459673

Tabela 2: Constantes para a Equação 6

A saturação ocorre quando a pressão parcial do vapor d’água na mistura atinge a pressão de saturação do vapor d’água na temperatura em que está a mistura, e au-menta exponencialmente com a temperatura. A pressão parcial do vapor d’água de-pende da quantidade de vapor d’água presente na mistura, portanto a pressão parcial de vapor d’água é obtida pela introdução de vapor d’água no ar (Beyer, 2012).

11

3.4. Relação de Gás Perfeito para o Ar Seco e Úmido:

Quando o ar úmido é considerado uma mistura de gases perfeitos independentes, ar seco e vapor d’água, cada um deles é considerado obedecendo à equação de esta-do dos gases perfeitos segundo as equações:

𝒑𝒑𝒂𝒂𝑽𝑽 = 𝒏𝒏𝒂𝒂𝑹𝑹𝑻𝑻 = 𝑴𝑴𝒂𝒂𝑴𝑴′𝒂𝒂

𝑹𝑹𝑻𝑻 Equação 7

𝒑𝒑𝒘𝒘𝑽𝑽 = 𝒏𝒏𝒘𝒘𝑹𝑹𝑻𝑻 = 𝑴𝑴𝒘𝒘𝑴𝑴′𝒘𝒘

𝑹𝑹𝑻𝑻 Equação 8

Onde:

• V é o volume total da mistura, em m3; • na é o numero de moles de ar seco; • nw é o numero de moles de vapor d’água; • M’ a massa molecular • R a constante universal dos gases

A mistura também obedece à equação de gás perfeito:

𝑷𝑷𝑽𝑽 = 𝒏𝒏𝑹𝑹𝑻𝑻 Equação 9

Sendo n o número de moles da mistura.

A Equação 9 pode ser transformada na seguinte forma:

(𝒑𝒑𝒂𝒂 + 𝒑𝒑𝒘𝒘)𝑽𝑽 = (𝒏𝒏𝒂𝒂 + 𝒏𝒏𝒘𝒘)𝑹𝑹𝑻𝑻 Equação 10

E considerando as frações molares do ar seco e vapor d’água nas Equações 7 a 10, respectivamente:

𝒙𝒙𝒂𝒂 = 𝒑𝒑𝒂𝒂𝒑𝒑𝒂𝒂+𝒑𝒑𝒘𝒘

= 𝒑𝒑𝒂𝒂𝒑𝒑

Equação 11

𝒙𝒙𝒘𝒘 = 𝒑𝒑𝒘𝒘𝒑𝒑𝒂𝒂+𝒑𝒑𝒘𝒘

= 𝒑𝒑𝒘𝒘𝒑𝒑

Equação 12

Das Equações 2,7 e 8 temos:

𝑾𝑾 = 𝑴𝑴𝒘𝒘𝑴𝑴𝒂𝒂

=𝒑𝒑𝒘𝒘∙𝑽𝑽∙𝑴𝑴′𝒘𝒘

𝑹𝑹∙𝑻𝑻𝒑𝒑𝒂𝒂∙𝑽𝑽∙𝑴𝑴′ 𝒂𝒂

𝑹𝑹∙𝑻𝑻

= 𝑴𝑴′𝒘𝒘∙𝒑𝒑𝒘𝒘𝑴𝑴′𝒂𝒂∙𝒑𝒑𝒂𝒂

Equação 13

12

Sendo:

• MH2O=18,015268 • Mar=28,7042

Substituindo os valores de M’ acima, temos:

𝑾𝑾 = 𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟏𝟏𝟔𝟔𝟒𝟒𝟓𝟓 𝒑𝒑𝒘𝒘𝒑𝒑𝒂𝒂

= 𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟏𝟏𝟔𝟔𝟒𝟒𝟓𝟓 𝒑𝒑𝒘𝒘𝒑𝒑−𝒑𝒑𝒘𝒘

Equação 14

Da mesma forma o conteúdo de umidade Ws vale:

𝑾𝑾𝒔𝒔 = 𝟎𝟎,𝟔𝟔𝟐𝟐𝟏𝟏𝟔𝟔𝟒𝟒𝟓𝟓 𝒑𝒑𝒘𝒘𝒑𝒑−𝒑𝒑𝒘𝒘𝒔𝒔

Equação 15

A umidade relativa, dessa forma é definida como:

𝝓𝝓 = 𝒑𝒑𝒘𝒘𝒑𝒑𝒘𝒘𝒔𝒔𝑻𝑻,𝒑𝒑

Equação 16

Em termos de grau de saturação de vapor d’água temos:

𝝓𝝓 = 𝝁𝝁

𝟏𝟏−(𝟏𝟏−𝝁𝝁)∙𝒑𝒑𝒘𝒘𝒔𝒔𝒑𝒑 Equação 17

E uma aproximação pode ser considerada através de uma relação percentual UR%, e ela é calculada por:

𝑼𝑼𝑹𝑹 ≅ 𝑾𝑾𝑾𝑾𝒔𝒔𝑻𝑻,𝒑𝒑

Equação 18

3.5. Temperatura de bulbo úmido:

No processo psicrométrico para qualquer estado do ar úmido, há uma temperatura Tbu na qual a água liquida evapora no ar para levá-lo à saturação nesta mesma tempe-ratura e pressão. Para pressão constante, o conteúdo de umidade aumenta de um va-lor inicial W até um valor Ws,bu correspondente a saturação na temperatura Tbu. A ental-pia é levemente aumentada de um valor inicial h até um valor hs,bu, correspondente a saturação na temperatura Tbu. A massa de água adicionada por unidade de ar seco é dada pela relação (Beyer, 2012):

𝒎𝒎á𝒈𝒈𝒈𝒈𝒂𝒂 = 𝑾𝑾𝒔𝒔,𝒃𝒃𝒈𝒈 −𝑾𝑾

13

A qual adiciona energia ao ar úmido no valor de:

𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸 = 𝑾𝑾𝒔𝒔,𝒃𝒃𝒈𝒈 −𝑾𝑾𝒉𝒉𝒘𝒘,𝒃𝒃𝒈𝒈

Sendo hw,bu,em kJ/kgK a entalpia especifica da água adicionada na temperatura Tbu. Se o processo for adiabático, a conservação da entalpia à pressão constante fica:

𝒉𝒉 + 𝑾𝑾𝒔𝒔,𝒃𝒃𝒈𝒈 −𝑾𝑾𝒉𝒉𝒘𝒘,𝒃𝒃𝒈𝒈 = 𝒉𝒉𝒔𝒔,𝒃𝒃𝒈𝒈 Equação 19

Onde:

• Ws,bu é o conteúdo de umidade na saturação para Tbu constante; • hw,bu a entalpia específica da água na Tbu; • hs,bu a entalpia específica do ar úmido para Tbu constante;

O psicrômetro, finalmente, consiste em dois termômetros, sendo que o bulbo de um deles é coberto por um tecido hidrófilo embebido em água. Quando esse bulbo é colo-cado numa corrente de ar a água evapora do tecido causando uma temperatura de e-quilíbrio chamada de temperatura de bulbo úmido. Este processo não é de saturação adiabática, a qual define a temperatura de bulbo úmido termodinâmico, mas sim uma transferência de calor e massa simultâneos na extremidade do bulbo úmido. Esse me-canismo é descrito pela Relação de Lewis a qual relaciona o coeficiente de evaporação com o de convecção (Beyer, 2012). A Relação de Lewis é definida na seguinte equa-ção:

𝑹𝑹𝑹𝑹 = 𝒉𝒉𝑬𝑬𝒉𝒉𝒄𝒄

Equação 20

E a transferência de calor na extremidade do bulbo úmido é dada pelas equações:

𝑸𝑸𝒆𝒆𝒏𝒏𝒆𝒆𝒆𝒆𝒂𝒂 = 𝑸𝑸𝒔𝒔𝒆𝒆𝒏𝒏𝒔𝒔𝒔𝒔𝒔𝒔𝒆𝒆𝒔𝒔 = 𝑨𝑨𝒉𝒉𝒄𝒄𝒄𝒄𝒏𝒏𝒔𝒔(𝑻𝑻𝒃𝒃𝒔𝒔 − 𝑻𝑻𝒃𝒃𝒈𝒈) Equação 21

𝑸𝑸𝒔𝒔𝒂𝒂𝒔𝒔 = 𝑸𝑸𝒔𝒔𝒂𝒂𝒆𝒆𝒆𝒆𝒏𝒏𝒆𝒆𝒆𝒆 = 𝑨𝑨𝒉𝒉𝒆𝒆𝒔𝒔𝒂𝒂𝒑𝒑(𝒑𝒑𝒘𝒘𝒔𝒔 − 𝒑𝒑𝒘𝒘) Equação 22

Sendo que no equilíbrio:

𝑸𝑸𝒆𝒆𝒏𝒏𝒆𝒆𝒆𝒆𝒂𝒂 = 𝑸𝑸𝒔𝒔𝒂𝒂𝒔𝒔 Equação 23

Então temos que:

𝑅𝑅𝑅𝑅 =𝑇𝑇𝑏𝑏𝑏𝑏 − 𝑇𝑇𝑏𝑏𝑏𝑏𝑝𝑝𝑤𝑤𝑏𝑏 − 𝑝𝑝𝑤𝑤

= 15,4 𝐾𝐾𝑘𝑘𝑘𝑘𝐸𝐸

14

4. Técnicas Experimentais:

Para o processo de manufatura do psicrômetro será necessária, após a aquisição dos sensores PT110, a calibração dos mesmos. Eles foram adquiridos da empresa No-vus Automation através de seu representante em Porto Alegre. Suas características físicas são: sensor PT100 PN: 88300077600, corpo de latão cromado 5mmX30mm, cabo em PVC de 1,5m e faixa de operação 0°C a 100°C; ambos identificados por um serial number (número de série) que daqui por diante identificarão os equipamentos durante o processo de calibração, montagem e operação. Para sensor de bulbo seco utilizaremos o SN: 12349295 e para o de bulbo úmido o SN: 12349256, que podem ser vistos em detalhe nas figuras seguintes:

Figura 2: Pacotes individuais dos sensors PT100

15

Figura 3: Identificação do sensor 12349295 e sua designação para Tbs.

Figura 4: Identificação do sensor 12349256 e sua designação para Tbu.

4.1. Procedimento de Calibração:

O procedimento de calibração foi executado conforme aquele que realizamos na au-la de laboratório, no qual consistia em aquecer uma pequena quantidade de água e em uma garrafa térmica dispomos dois sensores um de temperatura e o outro o que será avaliado. Os instrumentos de medição utilizados foram dois multímetros digitais da Mi-nipa sendo que um deles monitorando um termopar do tipo K e disponibilizando sua leitura diretamente em graus Celsius, e o outro em modo ohmímetro realizando a medi-ção da resistência do PT100.

A empresa Novus Automation, juntamente com o equipamento ela fornece também a curva de calibração através de um datasheet disponível para download em seu site:

16

www.novusautomation.com. Os dados obtidos com as medições estão presentes na tabela abaixo:

Tabela 3: Dados de leitura do procedimento de calibração e dados padrão do fabricante.

Part Number: 8830007600

Resistência do Multímetro: 1,8 Ω

Serial N°: 12349295

Serial N°: 12349256

Padrão NOVUS

T[°C] Resistência [Ω] Res Corr. [Ω] T PT100 [°C]

T[°C] Resistência [Ω] Res Corr. [Ω] T PT100 [°C]

T [°C] Resistência [Ω]

88 135,70 135,70 91,071

91 136,50 136,5 93,112

100 138,50

72 129,50 129,50 75,255

68 128,1 128,1 71,684

70 127,07

58 124,10 124,10 61,480

59 124,5 124,5 62,500

58 122,47

50 120,70 120,70 52,806

55 123 123 58,673

50 119,40

45 118,90 118,90 48,214

50 121,1 121,1 53,827

45 117,47

42 117,70 117,70 45,153

47 119,7 119,7 50,255

40 115,54

39 116,80 116,80 42,857

44 118,7 118,7 47,704

38 114,77

36 115,70 115,70 40,051

41 117,7 117,7 45,153

35 113,61

33 114,30 114,30 36,480

39 116,8 116,8 42,857

30 111,67

29 112,90 112,90 32,908

33 114,4 114,4 36,735

28 110,90

28 112,20 112,20 31,122

28 112,5 112,5 31,888

25 109,73

23 110,20 110,20 26,020

23 110,4 110,4 26,531

23 108,96

A Tabela 3 nos mostra os dados obtidos no procedimento de calibração dos senso-res. Cada um foi avaliado individualmente e os valores padrão foram extraídos do data-sheet divulgado pelo fornecedor. A resistência de leitura foi corrigida ao se descontar o valor da resistência de 1,8Ω do multímetro, e a temperatura medida foi obtida aplicando equação:

𝑻𝑻 = 𝑻𝑻𝟎𝟎 + 𝑹𝑹−𝑹𝑹𝟎𝟎𝜶𝜶∙𝑹𝑹𝟎𝟎

Equação 24

Onde:

T é o valor da temperatura medido;

T0 vale 0°C;

R0 vale 100Ω;

R é o valor da resistência lida no PTC100;

α é a constante do PT100 e vale 0,00392°C-1;

17

As curvas de calibração são apresentadas na Figura 1, juntamente com a curva pa-drão divulgada pelo fabricante:

Figura 5: Curva de Calibração Resistência x Temperatura, e curva padrão dos sensores

Na Figura 1 podemos verificar que os valores medidos estão de acordo com o espe-rado pelo fabricante. A curvas de uso seguem conforme as seguintes equações:

• Segundo o fabricante:

𝑹𝑹[𝛀𝛀] = 𝟏𝟏𝟎𝟎𝟎𝟎 ∙ (𝟏𝟏 + 𝟑𝟑,𝟔𝟔𝟎𝟎𝟗𝟗𝟎𝟎𝟐𝟐.𝟏𝟏𝟎𝟎−𝟑𝟑 ∙ 𝑻𝑻 − 𝟎𝟎,𝟓𝟓𝟗𝟗𝟔𝟔𝟏𝟏𝟔𝟔𝟓𝟓.𝟏𝟏𝟎𝟎−𝟔𝟔 ∙ 𝑻𝑻𝟐𝟐) Equação 25

• Curve Expert: o Sensor SN: 12349295:

𝑹𝑹[𝛀𝛀] = −𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟒𝟒𝟐𝟐𝟔𝟔𝟔𝟔𝟏𝟏𝟓𝟓𝟔𝟔𝟎𝟎 − 𝟏𝟏,𝟔𝟔𝟗𝟗𝟎𝟎𝟑𝟑𝟏𝟏𝟗𝟗𝟐𝟐 ∙ 𝑻𝑻 + 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟏𝟏𝟎𝟎𝟒𝟒𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟔𝟎𝟎 ∙ 𝑻𝑻𝟐𝟐 Equação 26

Coeficiente de Correlação: R=0,9990631

Desvio Padrão: S=1,0434

0

20

40

60

80

100

120

140

160

100,

00

70,0

0

58,0

0

50,0

0

45,0

0

40,0

0

38,0

0

35,0

0

30,0

0

28,0

0

25,0

0

23,0

0

Resi

stên

cia

[Ω]

Temperatura [°C]

Curva de Calibração PT100

NOVUS

PN:12349295

PN:12349256

Polinômio (PN:12349295)

Polinômio (PN:12349256)

18

o Sensor SN: 12349256:

𝑹𝑹[𝛀𝛀] = −𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟗𝟗𝟗𝟗𝟏𝟏𝟏𝟏𝟒𝟒𝟏𝟏𝟓𝟓𝟗𝟗 − 𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟏𝟏𝟓𝟓𝟔𝟔𝟑𝟑𝟓𝟓𝟎𝟎 ∙ 𝑻𝑻 + 𝟎𝟎,𝟎𝟎𝟏𝟏𝟎𝟎𝟗𝟗𝟒𝟒𝟒𝟒𝟔𝟔𝟎𝟎 ∙ 𝑻𝑻𝟐𝟐 Equação 27

Coeficiente de Correlação: R=0,990375

Desvio Padrão: S=3,4219

4.2. Montagem da interface de Usuário no Pc:

Para a interface de aquisição de dados, como foi dito anteriormente, foi utilizado um ambiente de desenvolvimento comercial da National Instruments o LabView. Neste ambiente programam-se as portas de aquisição dos dados e, através de blocos de fun-ções de transferência, criam-se as conexões e procedimentos de cálculo automatizado dos sinais provenientes dos sensores. Nas figuras seguintes tem-se uma visão geral de como se apresenta a interface do instrumento virtual criado, assim como o seu diagra-ma de blocos:

Figura 6: Interface do usuário no ambiente LabView

19

Figura 7: Parte do diagrama de blocos do psicrômetro virtual

Na Figura 6 é apresentada uma visão geral dos instrumentos que fazem parte do psicrômetro virtual. A esquerda vê-se a representação das resistências de bulbo e bul-bo úmido provenientes dos sinais dos sensores. No centro temos uma representação dos dois sensores PT100 em forma de termômetros, em graus Celsius, e temos tam-bém a representação de um barômetro, no qual se entra com o valor da pressão at-mosférica local manualmente. Na direita temos, finalmente, a escala de umidade relati-va e abaixo dela alguns valores de referência para o seu cálculo. Na Figura 7 é apre-sentado parte do diagrama de blocos, que é responsável pelo tratamento dos dados obtidos através da comunicação com a placa de aquisição de dados.

4.3. A Montagem do Aparelho:

A montagem do psicrômetro é realizada sobre um arranjo de tubos e conexões de PVC. Os componentes utilizados para a montagem são:

• 1 redução de 75mm para 50mm; • 1 conexão em T de 50mm; • 2 dutos de 50mm; • 2 tampas cegas para dutos 50mm; • 20cm de tecido de algodão; • 1 ventilador de PC;

20

Nas figuras abaixo se pode visualizar os componentes, assim como as disposições dos sensores e a fixação do tecido que forma o bulbo úmido:

Figura 8: Visão geral do psicrômetro.

Figura 9: Partes constituintes do psicrômetro.

21

Figura 10: Detalhe da montagem dos sensores PT100.

Figura 11: Detalhe da tampa cega utilizada como reservatório.

22

Figura 12: Detalhe da montagem do tecido do bulbo úmido.

Figura 13: Visão da montagem do redutor.

23

Figura 14: Detalhe da montagem do ventilador de exaustão.

Na Figura 8 está sendo mostrada a montagem final do aparelho com todos os seus componentes. Na Figura 9 observam-se os componentes desmontados. Na Figura 10 observa-se a montagem dos sensores PT100, a esquerda está o sensor 123492956 que representa o bulbo úmido e a esquerda o sensor 12349295 que representa o bulbo seco, observa-se também uma parede que isola os dois sensores implicando em leitu-ras completamente distintas do mesmo meio. Na Figura 11 observa-se a tampa cega que é utilizada como reservatório d’água para o bulbo úmido. Na Figura 12 observa-se a montagem do tecido de algodão do sensor bulbo úmido e ao fundo vê-se a tampa plástica que separa o reservatório do ambiente de medição. Na Figura 13 observa-se o redutor de dutos e ao fundo o ventilador. E finalmente na Figura 14 observa-se a mon-tagem do ventilador de exaustão que renova o ar de dentro da câmara de medição im-pedindo que haja estagnação de vapor d’água e que conseqüentemente possa gerar erros de leitura.

24

5. Resultados:

Os resultados obtidos com o psicrômetro estão apresentados na tabela abaixo:

Tabela 4: Valores obtidos experimentalmente na bancada de testes

Tbs Tbu UR % UR % ASHRAE 24 18 55 55 35 26 51 51

Como podemos observar na Tabela 4 os valores obtidos para a umidade relativa estão de acordo com as respectivas temperaturas de bulbo seco e bulbo úmido e são satisfatórios quando comparados com os valores obtidos na leitura das cartas psicro-métricas da ASHRAE (na pressão de 1atm).

25

6. Conclusões:

De acordo com os dados apresentados é possível inferir que o psicrômetro tem uma excelente resposta às variações de ambiente impostas, e funciona com uma boa preci-são na faixa prevista pelos fabricantes dos sensores. Uma nova proposta pode ser im-plementada introduzindo a coleta de dados de pressão atmosférica através de um sen-sor digital tornando assim o instrumento versátil e com auto-calibração para qualquer condição ambiental a ser medida.

Pode-se também criar uma base de dados para que se tenha um controle estatísti-co das medições e pode-se, também, gerar rotinas automáticas para se controlar efeti-vamente as condições ambientais através de atuadores. Podemos assim dizer que as possibilidades são ilimitadas quando utilizamos técnicas de sensoreamento e medição baseados em sinais digitais.

26

7. Bibliografia

ASHRAE. (2001). ASHRAE-Fundamentals Handbook. American Society of Heating,Refrigeration and Air-Conditoning Engineers.

Da Silva, Claudio Ricardo; Raabe, Joabel; Da Silva Dias, Nildo; Araújo Da Silva, José Tonny; Dos Santos, Ronaldo Antônio;. (2011, março). DESEMPENHO DE DIFERENTES BITOLAS DE TERMOPAR EM UM PSICRÔMETRO ASPIRADO DE BAIXO CUSTO. Revista Caatinga, vol 24, número 1 , 99-103.

Harrison, R. G.; Wood, C. R.;. (2012, April). Ventilation effects on humidity measurements in thermometer. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 138 , pp. 1114-1120.

Marcelli Palmieri, A. (2009). Desenvolvimento Automatizado de Baixo Custo para Coleta e Armazenamento de Dados de Variáveis Climáticas: Aplicações no Ambiente Agrícola. Piracicaba: USP, Dissertação de Mestrado.

Otto Beyer, E. D. (2012/02). Climatização, Ventilação, Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado. Porto Alegre: UFRGS.

Ustymczuk, A.; Giner, S. A.;. (2011). Relative humidity errors when measuring dry and wet bulb. Biosystems Engineering , 106-111.

27

8. Anexos: