Proposta de um sensor de baixo custo para medir condutividade térmica

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Lima, Paula Larissa Dias, 1997-
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/1050
Resumo: Orientador: José Antônio Siqueira Dias
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spelling Proposta de um sensor de baixo custo para medir condutividade térmicaProposal of a low cost sensor to measure thermal conductivityCondutividade térmicaAnemometros termicosComportamento transienteThermal conductivityThermal anemometersTransient behaviorOrientador: José Antônio Siqueira DiasDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Elétrica e de ComputaçãoResumo: Este trabalho apresenta um sensor de baixo custo desenvolvido para medir a condutividade térmica de materiais, sendo este parâmetro importante em diversas áreas. O princípio de funcionamento do sensor baseia-se no método transiente Line Heat Source no qual um fio longo e fino é aquecido por uma fonte de potência constante. A princípio, foi elaborado o circuito com uma rotina de controle da potência através de correção PID e verificado seu funcionamento através de um sensor RTD. A potência sobre o sensor RTD apresentou linearidade praticamente constante com uma variação de 0,06% sendo necessário apenas 80mW para aquecê-lo. O princípio Line Heat Source exige que o sensor seja similar a um fio fino, por isso foi desenvolvido um sensor formado por resistores SMD 0603 soldados em série para substituir o sensor RTD, o qual por ter um tamanho maior precisou ser aquecido com cerca de 210mW. Para que o sensor pudesse medir a condutividade térmica de um material, foi necessário coletar dados de resistência e temperatura do mesmo enquanto este estava inserido em uma amostra de farinha de trigo. Os dados após coletados e corrigidos foram enviados do microcontrolador para um smartphone através de um módulo bluetooth, tabelados no Excel e, posteriormente, foram inseridos no software Origen para que fossem traçados gráficos de uma análise do comportamento das variáveis aferidas. Com base nos dados coletados concluiu-se que: 1) a rotina de controle com correção PID funcionou conforme o esperado apresentando boa linearidade na potência, em torno de 99,94% 2)o sensor coletou dados de temperatura e resistência que foram apresentados de forma gráfica facilitando sua compreensão, 3) os gráficos permitiram a realização dos cálculos que tomaram por base os métodos analíticos descritos conforme a literatura apresentada no Capítulo 2 deste trabalho, e 4) apesar dos dados de inclinação aferidos pelo software convergirem com a teoria apresentada, foi constatado que os dados de condutividade térmica da amostra de teste poderiam divergir, considerando que esta variável depende do valor da constante de aquecimento que por sua vez, depende do comprimento do sensor e da potência aplicada sobre este. O sensor desenvolvido apresentou comprimento de 17mm sem estar encapsulado, e com a proteção do encapsulamento o mesmo chegou a medir 32mm de comprimento, enquanto teoricamente com base nos devidos cálculos, o mesmo deveria apresentar um comprimento de cerca de 7mm. Posteriormente foi constatado com base na literatura que idealmente o sensor deve apresentar um comprimento trinta vezes maior que o raio, enquanto o sensor desenvolvido para esta pesquisa apresentou um comprimento de apenas dezenove vezes o tamanho do raio, o que justifica a discrepância de valores de comprimento do sensor entre o valor real do dispositivo fabricado e o valor teórico calculado. Como solução para este problema sugeriu-se que fosse construído um novo sensor com comprimento trinta vezes maior que o raio e, assim, sejam refeitas as análises em relação à condutividade térmica aferida pelo mesmo.Abstract: This research presents a low-cost sensor developed to measure thermal conductivity of materials. Its working principle is based on the transient method Line Heat Source, which is a long and thin needle powered by a constant power source. Initially, a circuit with a power control routine was elaborated and its working was verified through a RTD sensor. The power on the RTD sensor showed good stability within a range of 0.06%. We used 80mW to power it. The line heat source method requires that the sensor must be similar to a thin needle, for this reason was developed a sensor formed by a series of 0603 SMD resistors to replace the RTD, which due to its large length was to be powered at around 210mW. In order to measure thermal conductivity of a material by the sensor, it was necessary to collect data of its resistance and temperature while it was inside a wheat flour sample. After data was collected it was sent by a microcontroller to a smartphone through a bluetooth module, tabulated on Excel software and next it was inserted in Origen software to obtain the graphics of the measured variables. Based on the collected data it was concluded that: 1) The PID control routine worked as expected with a good control of the power with linearity of 99.94%. 2) The sensor collected data of temperature and resistance that was shown by graphics. 3) The graphics allowed analytical resolutions based on analytical methods described according to literature shown in chapter 2 of this research. 4) Despite slope data measured by software converging at present theory, it was observed that data of thermal conductivity of the test sample could be divergent considering that this variable depends on a constant of heating, that in turn depends on the length of the sensor and the power over it. The physical device developed has a length of 17mm (a length only nineteen times higher than its radius), while according to literature based on appropriate mathematical methods, it should be at least thirty times higher than the radius. That justifies the discrepancy between the measure values and the theoretical calculated value. To solve this problem, it is suggested that a calibration factor be used or a new sensor with length thirty times greater than its radius be manufacturedMestradoEletrônica, Microeletrônica e OptoeletrônicaMestra em Engenharia ElétricaCAPES88887.475615/2020-00[s.n.]Dias, Jose Antonio Siqueira, 1954-Morais, Flávio José de OliveiraÁvila, Paulo UrbanoUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). 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Acesso em: 3 set. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1232620Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2021-11-22T12:20:58Zoai::1232620Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2021-11-22T12:20:58Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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