Projecto de Actuador Electromagnético para o Ajuste de Caudal em Contadores de Água com ...

111 Pages·2015·2.74 MB·Portuguese

Projecto de Actuador Electromagnético para o Ajuste de
Caudal em Contadores de Água com regime de Pré-
Pagamento utilizando a norma STS

Valter Luzio Dias Jardineiro

Dissertação para a obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientadores: Professor Paulo José da Costa Branco,
Engenheiro Fernando Costa Gaspar

Júri
Presidente: Professor Rui Manuel Gameiro de Castro
Orientador: Professor Paulo José da Costa Branco
Vogais: Professora Helena Margarida Machado da Silva Ramos,
Professor Mário Rui Melicio da Conceição

Novembro 2015

Agradecimentos

Se um dia me perguntarem o que constituiu a minha dissertação de mestrado, terei que
responder que marcou, indubitavelmente, o final do meu curso; portanto, seria simplesmente
injusto, olhar para ela sem ver a meta da minha passagem pelo Instituto Superior Técnico. E,
quando me referem o nome desta instituição, três pessoas me ocorrem à mente de imediato:
os meus pais e o Professor Paulo Branco. Os primeiros pela razão óbvia: foram quem sempre
me apoiou, e sem eles nunca teria conseguido concluir o meu curso. Quanto ao Professor
Paulo Branco, a história é mais comprida.
Eu conheci o Professor Paulo Branco numa altura em que o meu percurso académico
nada mais me tinha dado a conhecer do que o puro conhecimento científico. Lembrava-me da
célebre frase do Professor Abel Salazar: “O Médico que só sabe de Medicina, nem Medicina
sabe”, e lamentava que o mesmo não se pudesse aplicar à Engenharia. Em suma, imiscuía-se-
me o sentimento de falta: falta de alma. Foi essa alma que o Professor Paulo Branco provou
existir no seio das paredes do Técnico. Trabalhar com o Professor Paulo Branco, para além de
se revelar uma experiência enriquecedora no pragmatismo do Mundo científico, impregna-nos
de valores culturais e sociais, que qualquer pessoa que trabalhou com ele poderá corroborar.
Assim sendo, o meu primeiro grande agradecimento é destinado ao meu Professor e
Orientador, Paulo Branco, não só pelo apoio que me deu ao longo desta dissertação, mas por
todo um conjunto de vivências que proporcionou, tanto a mim, como à sua equipa de alunos de
Mestrado e Doutoramento.
O meu segundo agradecimento é destinado ao Aluno de Doutoramento, e também
amigo, João Fernandes, pelos momentos, conversas e trocas de opiniões, que cobriram um
leque multifacetado de temas, desde os mais pertinentes conceitos científicos, aos mais triviais
motejos lúdicos.
De seguida, queria deixar uma palavra de reconhecimento ao Engenheiro Costa
Gaspar e à Professor Helena Ramos, pelo auxílio e abertura com que me receberam, sempre
que necessitei de esclarecer alguma dúvida, acerca de noções que escapam do foro
Electrotécnico.
Segue também um voto de gratidão para o João Pedro, técnico do laboratório de
hidráulica, que se mostrou sempre disponível durante a montagem do circuito hidráulico, bem
como de todas as vezes em que necessitei de assistência durante os ensaios que tomaram
lugar no laboratório de hidráulica.
Queria mencionar dois amigos que me acompanharam até ao fim do meu percurso
académico, e a quem apelo em agradecimento por todos os momentos que passámos juntos:
Diogo Amado e Diogo Frazão.
i
Uma palavra de especial amizade para o meu irmão Leandro, que ao ajudar a manter
acesa a chama da minha veia artística ao longo destes anos, permitiu-me expandir a minha
componente humanística, essencial para contrabalançar o puro conhecimento científico
adquirido na Universidade.
Um voto de agradecimento, a duas pessoas que receberam, sempre com gestos de
indulgência e paciência, a minha irascibilidade mal contida, devida às contingências da vida
académica: Tiago Jorge e António Cadima.
Gostava de mencionar uma amiga, Helena Frazão, que, umas vezes mais presente,
outras mais distante, sempre me acompanhou ao longo da minha caminhada Universitária. E,
sendo uma pessoa com quem partilho um leque de memórias desde o divertido ao
melancólico, é também uma pessoa que me acolheu sempre com amizade sincera e honesta,
e que tenho a certeza que o continuará a fazer nos anos vindouros.
Queria também agradecer ao meus colegas (e alguns amigos) que, tal como eu,
desenvolviam dissertações de mestrado com o Professor Paulo Branco, e me proporcionaram
uma experiência de trabalho bastante peculiar e agradável. Neste contexto, segue um abraço
para o grupo que se juntava em torno do gabinete 2i.12, para discutir ideias e projectos.
E, em último lugar, mas não menos importante, gostava de mencionar uma pessoa
que, durante o período em que estive envolvido nesta dissertação, estabeleceu o meu ponto de
equilíbrio entre a vida académica e social; que me relembrou, de diversas formas, que a vida
não se restringe só ao trabalho; e que me demonstrou que as surpresas positivas da vida estão
sempre ocultas entre as sombras do destino: Vera Atanásio.
ii
Resumo

A utilização de contadores de água em regime de pré-pagamento tem vindo a assumir
um papel cada vez mais predominante em diversas zonas do globo, como a Ásia, a África, a
América do Sul, e, também, em certos pontos da Europa, como Portugal e o Reino Unido. Por
essa razão, o desenvolvimento de novas metodologias para o controlo e leitura de água
consumida nas residências passa a assumir pertinência científica e económica, para além das
demais vantagens sociais. Assim, esta dissertação estuda e procura desenvolver um sistema
que pudesse ser implantado em contadores de água convencionais já existentes em
habitações, com o intuito de lhes conferir características de funcionamento em regime de pré-
pagamento. Este é um trabalho que surgiu no âmbito da parceria IST – Resul e que foi
abordado ao longo desta dissertação.
Esta dissertação divide-se em duas vertentes principais. A primeira foca-se no projecto
e dimensionamento de um actuador electromagnético para uma válvula solenóide, que possa
ser aplicada a jusante de um contador de água, com a finalidade de delimitar ou cortar o
abastecimento de água. Neste campo, estudam-se parâmetros pertinentes como a força
electromagnética do actuador, a energia eléctrica consumida, a existência ou não de saturação
magnética, a temperatura de funcionamento, para além de toda a dinâmica mecânica, eléctrica
e térmica do sistema. Na segunda vertente realizada em paralelo com a primeira, desenvolveu-
se e aplicou-se a um contador convencional um sistema de obtenção da contagem de água,
através de um método não intrusivo; instalou-se uma válvula para delimitação de caudais; e,
posteriormente, montou-se um circuito de controlo e alimentação para os equipamentos.

Palavras-chave: Actuador electromagnético, Contador de pré-pagamento, Contagem não-
intrusiva, Delimitação de caudais, Válvula solenóide
iii
iv
Abstract

Nowadays, the use of prepayment water meters is becoming more prominent in certain
parts of the world, such as Asia, Africa and South America. Thus, the development of new
methodologies for controlling and reading water consumption in households is in line with
scientific and economic reasons, and not only due to social awareness. Therefore, upon these
beliefs, it was decided to study and develop a system capable of managing the water supply
passing through a conventional water meter, which would be already installed on an arbitrary
residence. This project was set under a partnership between IST and Resul, and it was carried
out during this master’s thesis period.
The line of work was divided in two main courses. The first one focused on the project
of an electromagnetic actuator, to be installed on a solenoid valve, which would be applied in
parallel with a conventional water meter for water flow delimitation purposes. There were some
electrical characteristics under attention during this study, such as the electromagnetic force,
the power consumption, the magnetic saturation and the temperature variation, besides all
aspects concerning mechanical, electric and thermal dynamics of the actuator.
The second line of work was centered on developing a system to obtain the water
metering measure, via a non-intrusive methodology. Afterwards, it was mounted a solenoid
valve to restrict the water flow, and created a control and energy supply circuit, for all the
equipment used in the prototype.

Keywords: Electromagnetic Actuator, Non-intrusive Metering, Prepayment Water Meter,
Solenoid Valve, Water Flow Delimitation
v
vi
Índice
Lista de Figuras ......................................................................................................... ix
Lista de Símbolos .................................................................................................... xiii
1. Introdução ............................................................................................................ 1
1.1 – Motivação e definição do problema ................................................................................ 1
1.2 – Enquadramento do tema na área científica ..................................................................... 2
1.3 – Estrutura da dissertação ................................................................................................... 2
1.4 – Objectivos da dissertação ................................................................................................. 2
2. Projecto do actuador electromagnético ............................................................. 5
2.1 – Conceitos base, geometria do actuador e estudo hidráulico .......................................... 5
2.1.1 – Geometria do actuador ............................................................................................. 7
2.1.2 – Estudo hidráulico ....................................................................................................... 8
2.2 – Estudo teórico da dinâmica do actuador electromagnético e primeiro modelo de
simulação ................................................................................................................................ 10
2.2.1 – Modelação eléctrica ................................................................................................ 11
2.2.2 – Modelação mecânica............................................................................................... 16
2.2.3 – Modelação térmica ................................................................................................. 19
2.2.4 – Primeiro modelo de simulação................................................................................ 20
2.2.5 – Resultados do primeiro modelo de simulação ........................................................ 25
2.3 – Conceitos de saturação magnética e segundo modelo de simulação ........................... 31
2.3.1 – Revisão das equações do circuito magnético .......................................................... 32
2.3.2 – Implementação dos conceitos de saturação magnética no modelo de simulação 35
2.3.3 – Resultados do segundo modelo de simulação ........................................................ 35
2.4 – Modelo térmico em parâmetros concentrados e terceiro modelo de simulação ......... 37
2.4.1 – Modelo térmico em parâmetros concentrados ...................................................... 37
2.4.2 – Implementação do circuito térmico equivalente no modelo de simulação e
resultados. ........................................................................................................................... 39
3. Optimização de parâmetros para o dimensionamento do actuador
electromagnético ...................................................................................................... 42
3.1 – Definição do problema de optimização ......................................................................... 42
3.2 – Metodologia de resolução do problema de optimização .............................................. 46
3.3 – Resultados do processo de optimização ........................................................................ 48
3.4 – Processo de optimização com simulação em paralelo ................................................... 49
3.5 – Análise final da dinâmica do actuador electromagnético .............................................. 54

vii
4. Conversão de um contador convencional para contador de pré-pagamento58
4.1 Estudo dos contadores de água convencionais com pré-pagamento .............................. 58
4.2 Abordagem à obtenção da contagem por via magnética ................................................. 61
4.3 Abordagem à obtenção da contagem por via óptica ........................................................ 61
4.4 Conversão analógico/digital .............................................................................................. 64
4.5 Processamento do sinal digital .......................................................................................... 65
4.6 Concepção do circuito hidráulico para teste do sistema de contagem ............................ 66
4.7 Teste de fiabilidade da leitura óptica ................................................................................ 67
4.8 Instalação de válvula solenóide e circuito de controlo ..................................................... 69
4.9 Alimentação do sistema .................................................................................................... 70
4.10 Controlo de caudais, mediante modulação PWM .......................................................... 71
5. Conclusões e trabalho futuro ........................................................................... 74
6. Referências Bibliográficas ................................................................................ 78
Anexo 1 – Script da Função Objectivo .................................................................... 80
Anexo 2 – Função Principal do Algoritmo Genético .............................................. 86
Anexo 3 – Código do microcontrolador Arduino.................................................... 88
Anexo 4 – Comparação das contagens registadas pelo contador e Arduino. ..... 92

viii