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DAYSON ROBERTO WALDSCHMIDT
Desenvolvimento de um Medidor de
Fra¸c˜ao de
´
Agua Utilizando
Tecnologia de Microondas
Florian´opolis, fevereiro de 2008.
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
CURSO DE P
´
OS-GRADUAC¸
˜
AO
EM ENGENHARIA EL
´
ETRICA
Desenvolvimento de um Medidor de
Fra¸c˜ao de
´
Agua Utilizando
Tecnologia de Microondas
Disserta¸c˜ao submetida `a
Universidade Federal de Santa Catarina
como parte dos requisitos para a
obten¸c˜ao do grau de Mestre em Engenharia El´etrica.
Dayson Roberto Waldschmidt
Florian´opolis, fevereiro de 2008.
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Desenvolvimento de um Medidor de
Fra¸c˜ao de
´
Agua Utilizando
Tecnologia de Microondas
Dayson Roberto Waldschmidt
‘Esta Disserta¸c˜ao foi julgada adequada para a obten¸c˜ao do t´ıtulo de Mestre
em Engenharia El´etrica,
´
Area de Concentra¸c˜ao em Automa¸c˜ao e Sistemas,
e aprovada em sua forma final pelo Programa de P´os-Gradua¸c˜ao em
Engenharia El´etrica da Universidade Federal de Santa Catarina.’
Florian´opolis, 29 de fevereiro de 2008.
Prof. Daniel Juan Pagano, Dr.
Orientador
Prof
a
. K´atia Campos de Almeida
Coordenador do Programa de P´os-Gradua¸c˜ao em Engenharia El´etrica
Banca Examinadora:
Prof. Daniel Juan Pagano, Dr.
Presidente
Prof. Walter Pereira Carpes Junior, Dr.Eng.
Prof. Nestor Roqueiro, D.Sc.
Eng. Jose Maria Mascheroni, Msc.
ii
Ao meu pai
iii
AGRADECIMENTOS
Primeiramente gostaria de agradecer `a minha fam´ılia - Dona Cirlay, seu Manfred (in
memoriam), Darlene e Delany (in memoriam) - que me ensinou o valor da educa¸c˜ao
na forma¸c˜ao do indiv´ıduo, a recompensa oriunda do comprometimento e da dedica¸c˜ao
e, acima de tudo, a estima e admira¸c˜ao pelo esmero.
Agrade¸co tamb´em a minha companheira, namorada e amiga Mel, pelo apoio incondi-
cional e inspira¸c˜ao em todos os momentos, alegres e dif´ıceis. Sem o seu apoio nada
disso seria poss´ıvel.
Meu agradecimento n˜ao menos especial ao meu orientador, Daniel Pagano, pela
confian¸ca em mim depositada e pela oportunidade de realizar o presente trabalho.
Agrade¸co tamb´em aos professores Nestor Roquero e J´ulio E. N. Rico pelo apoio du-
rante a realiza¸c˜ao do trabalho.
Agrade¸co aos colegas Augustinho Plucˆenio, Ramiro Saraiva, Guilherme Mafra e Fran-
cisco Rafael pelo apoio t´ecnico, amizade e suporte durante a realiza¸c˜ao do trabalho.
Por ´ultimo, agrade¸co a ANP (Agˆencia Nacional de Petr´oleo e G´as Natural) pelo suporte
financeiro, sem o qual este trabalho n˜ao teria sido poss´ıvel, e ao PGEEL pela paciˆencia
e compreens˜ao.
iv
Resumo da Disserta¸c˜ao apresentada `a UFSC como parte dos requisitos necess´arios
para obten¸c˜ao do grau de Mestre em Engenharia El´etrica.
Desenvolvimento de um Medidor de
Fra¸c˜ao de
´
Agua Utilizando
Tecnologia de Microondas
Dayson Roberto Waldschmidt
Fevereiro/2008.
Orientador : Prof. Daniel Juan Pagano, Dr.
´
Area de Concentra¸c˜ao : Automa¸c˜ao e Sistemas
Palavras-chave : Medidores de Fra¸c˜ao de
´
Agua, Medidores Multif´asicos,
: Processamento de Microondas, Sistemas Embarcados,
: Propriedades Diel´etricas dos Materiais,
: Instrumenta¸c˜ao, Medi¸c˜ao N˜ao-Intrusiva, Petr´oleo.
N´umero de P´aginas : 131
Este trabalho explora o tema da utiliza¸c˜ao da tecnologia de microondas na medi¸c˜ao da
fra¸c˜ao de ´agua em escoamentos multif´asicos, para aplica¸c˜oes na ind´ustria de petr´oleo
e g´as natural.
Foi proposto e implementado um sistema de instrumenta¸c˜ao n˜ao-intrusivo baseado na
tecnologia de microondas, utilizando sensores de transmiss˜ao.
Foram realizados testes est´aticos para a avalia¸c˜ao da viabilidade de diversas t´ecnicas
de medi¸c˜ao, baseadas em sensores de transmiss˜ao, e do sistema de instrumenta¸c˜ao
desenvolvido para a medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua numa mistura bif´asica de ´agua e ´oleo.
v
Abstract of Dissertation presented to UFSC as a partial fulfillment of the
requirements for the degree of Master in Electrical Engineering.
Development of a Microwave
Water-Cut Meter
Dayson Roberto Waldschmidt
February/2008.
Advisor : Prof. Daniel Juan Pagano, Dr.
Area of Concentration : Automation and Systems
Key words : Water Cut Meters, Multiphase Metering,
: Microwaves Electronics, Embedded Systems,
: Dielectric Properties of Materials,
: Instrumentation, Non Intrusive Measurements, Petroleum.
Number of Pages : 131
The aim of this work is to explore the use of microwave technology for measuring the
water cut content in a multiphase flow for application in oil industry.
A non-intrusive instrumentation system, based on microwave technology and using
transmission sensors, was proposed and implemented.
Static tests were carried out in order to verify the viability of several measuring tech-
niques based on microwave transmission sensors, and also the viability of the developed
instrumentation system for measuring the water cut in a biphasic oil-water mixture.
vi
Sum´ario
1 Introdu¸c˜ao 1
1.1 Contextualiza¸c˜ao do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 T´ecnicas e M´etodos de Medi¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2.1 Parˆametros de Escoamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2.2 Fra¸c˜oes Volum´etricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.3 Tipo do Escoamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.4 Propriedades da mistura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 Medi¸c˜ao utilizando microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.4 Aplica¸c˜oes de Sensores de Microondas na Ind´ustria de Petr´oleo e G´as . 14
1.5 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.6 Organiza¸c˜ao da Disserta¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Fundamentos Te´oricos 18
2.1 Ondas Eletromagn´eticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2 Propaga¸c˜ao das Ondas Eletromagn´eticas . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 Intera¸c˜ao das Microondas com os Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 Propriedades Diel´etricas dos Materiais . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 Propriedades Diel´etricas da
´
Agua . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Gera¸c˜ao, Transmiss˜ao e Processamento de Sinais de Microondas . . . . 26
2.5.1 Parˆametros de Sistemas de Microondas . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.2 Componentes de um Sistema de Microondas . . . . . . . . . . . 29
2.6 Tipos de Medidores de Microondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
vii
2.6.1 Sensores de Transmiss˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.6.2 Sensores de Ressonˆancia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.6.3 Sensores de Reflex˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.4 Sensores Radiom´etricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.5 Sensores Tomogr´aficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.7 Conclus˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Sistema Experimental Desenvolvido 48
3.1 Sistema de Gera¸c˜ao e Processamento de Microondas . . . . . . . . . . . 49
3.2 Sistema Digital de Controle e Aquisi¸c˜ao de Dados . . . . . . . . . . . . 53
3.2.1 Caracter´ısticas do Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.2 Caracter´ısticas do Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.3 Sistema Embarcado de Comunica¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.1 Protocolo de Comunica¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.3.2 Caracter´ısticas do Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.3.3 Caracter´ısticas do Firmware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4 Sistema Computacional do Concentrador de Dados . . . . . . . . . . . 69
3.5 Sistema de Interface com Usu´ario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.6 Sistema de Alimenta¸c˜ao DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
3.7 Sistema de Suporte aos Ensaios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.8 Sistema de Medi¸c˜oes Auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.9 Conclus˜oes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4 Resultados Experimentais 85
4.1 Descri¸c˜ao de um Ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2 Ensaios Realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Curvas Obtidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.1 Configura¸c˜ao 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.3.2 Configura¸c˜ao 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
viii
5 Conclus˜oes 96
5.1 Pendˆencias de Implementa¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2 Limita¸c˜oes Operacionais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3 Dificuldades Encontradas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.4 Sugest˜oes para Trabalhos Futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.5 Considera¸c˜oes Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
A Especifica¸c˜oes T´ecnicas dos Componentes de Microondas Utilizados 102
A.1 Antenas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.2 VCO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A.2.1 Interruptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
A.2.2 Divisor de Potˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.2.3 Amplificador de Potˆencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.2.4 Atenuador Controlado por Tens˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
A.2.5 Misturador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
A.2.6 Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
B Diagramas Esquem´aticos 107
C Mapeamento dos Registrados Modbus da Unidade de Processamento113
D Especifica¸c˜ao dos Protocolos de Comunica¸c˜ao Criados 119
D.1 Protocolo de Recrutamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
D.2 Protocolo de Logging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
E Descri¸c˜ao dos Webservices do Sistema do Concentrador de Dados 123
E.1 Fun¸c˜oes dos Webservices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
E.2 Estruturas de Dados do Webservices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
ix
Lista de Figuras
1.1 Produ¸c˜ao t´ıpica de um po¸co em milhares de barris por dia . . . . . . . 2
1.2 M´etodo de avalia¸c˜ao da produ¸c˜ao utilizando separador de fases . . . . . 3
1.3 M´etodo de avalia¸c˜ao da produ¸c˜ao utilizando medidores multif´asicos . . 3
1.4 Triˆangulo multif´asico [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5 Exemplos de escoamento disperso [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Exemplos de escoamento separado [14] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 Exemplos de escoamento intermitente [14] . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8 Mapa de escoamento multif´asico para um escoamento vertical [14] . . . 11
1.9 Mapa de escoamento multif´asico para um escoamento horizontal [14] . . 11
2.1 Espectro eletromagn´etico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Mol´ecula de ´agua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.3 Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua pura com o aumento da
temperatura para diferentes freq¨uˆencias [7] . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4 Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua salgada (10 ppt) com o
aumento da temperatura para diferentes freq¨uˆencias [7] . . . . . . . . . 25
2.5 Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua salgada com o aumento da
temperatura para diferentes concentra¸c˜oes de sais [7] . . . . . . . . . . 25
2.6 Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua com a freq¨uˆencia, tempera-
tura e concentra¸c˜ao de sais [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.7 Tipos de antenas - compara¸c˜ao dos diagramas de radia¸c˜ao [6] . . . . . . 30
2.8 Isoladores (a)Funcionamento e (b)exemplo de Aplica¸c˜ao [6] . . . . . . . 31
2.9 Aplica¸c˜ao t´ıpica de um circulador [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.10 Aplica¸c˜oes de detectores para (a)medir a intensidade de uma microonda,
(b)demodular um sinal pulsado e (c)demodular um sinal anal´ogico [6] . 32
x
2.11 Aplica¸c˜oes de Misturadores [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.12 Misturador como um multiplicador de sinais [6] . . . . . . . . . . . . . 33
2.13 Exemplo de aplica¸c˜ao de um interruptor [6] . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.14 Utiliza¸c˜ao de um interruptor na constru¸c˜ao de um deslocador de fase [6] 35
2.15 Sensor de Transmiss˜ao [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.16 M´etodo de FMCW [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.17 Sistema para medi¸c˜ao da atenua¸c˜ao e da fase [9] . . . . . . . . . . . . . 39
2.18 Gr´afico da fase e magnitude num medidor de coeficiente de reflex˜ao com
f
r
= 1.5GHz [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.19 Gr´afico da fase e magnitude num medidor de coeficiente de transmiss˜ao
com f
r
= 1.5GHz [20] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.20 Sensor de ressonˆancia utilizado na medi¸c˜ao de n´ıvel de um tanque de
´oleo de um navio [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.21 Princ´ıpio de funcionamento de um medidor de parˆametros de escoamento
utilizando um sensor de reflex˜ao [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.22 Princ´ıpio de funcionamento de um radar de pulso [6] . . . . . . . . . . 44
2.23 Princ´ıpio de funcionamento de um radar de FMCW [9] . . . . . . . . . 45
2.24 Princ´ıpio de funcionamento de um radiˆometro, onde T
p
´e a temperatura
do objeto, T
b
´e a temperatura de brilho e η ´e a emissividade [9] . . . . . 46
2.25 Princ´ıpio de funcionamento de tom´ografo de microondas [9] . . . . . . . 47
3.1 Arquitetura do sistema de ensaios com microondas . . . . . . . . . . . 50
3.2 Diagrama de blocos do sistema de de gera¸c˜ao e processamento de mi-
croondas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.3 Foto do sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas montado
sobre uma placa de acr´ılico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.4 Diagrama de Bode do filtro anti-recobrimento . . . . . . . . . . . . . . 55
3.5 Diagrama de blocos do sistema controle e aquisi¸c˜ao de dados . . . . . . 56
3.6 Desenho da PCI da unidade de processamento do sistema . . . . . . . . 57
3.7 Unidade de processamento do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8 Fluxograma de dados no firmware do sistema de controle e aquisi¸c˜ao . 59
3.9 Diagrama de blocos do sistema embarcado de comunica¸c˜ao . . . . . . . 64
xi
3.10 Mapeamento das camadas do padr˜ao Ethernet em tarefas na biblioteca
TCP/IP Stack da Microchip [24] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.11 Estrutura da mensagem Modbus TCP/IP [19] . . . . . . . . . . . . . . 67
3.12 Poss´ıvel configura¸c˜ao para o sistema digital . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.13 Arquitetura computacional do sistema do concentrador de dados . . . . 73
3.14 Tela da interface com usu´ario onde ´e apresentada a lista de equipamentos
detectados na rede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.15 Tela da interface com usu´ario onde ´e apresentado o menu de configura¸c˜ao
de logging do sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.16 Desenho da PCI da fonte de alimenta¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.17 Foto da fonte de alimenta¸c˜ao com a tampa aberta . . . . . . . . . . . . 80
3.18 Foto da fonte de alimenta¸c˜ao com a tampa fechada . . . . . . . . . . . 81
3.19 Foto da bancada de ensaios durante um ensaio . . . . . . . . . . . . . . 82
3.20 Foto da bancada de ensaios durante um ensaio (detalhe do interior da
caixa de Faraday) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.1 Parˆametros de configura¸c˜ao de um ensaio bancada de testes . . . . . . 87
4.2 Tanque de ensaio com a manta met´alica . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.3 Gr´afico da intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o
tanque de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio . . 90
4.4 Gr´afico do atraso de fase em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o
tanque de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio . . 90
4.5 Gr´afico do intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o
tanque de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio . . 91
4.6 Gr´afico do atraso de fase em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o
tanque de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio . . 91
4.7 Tanque de ensaio sem a manta met´alica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.8 Gr´afico da intensidade em fun¸c˜ao da frequˆencia (faixa inteira),
utilizando-se o tanque de se¸c˜ao retangular para diversas fra¸c˜oes de ´agua 93
4.9 Gr´afico da intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua (tipo A), utilizando-
se o tanque de se¸c˜ao retangular 2 frequˆencias escolhidas . . . . . . . . . 94
4.10 Gr´afico do intensidade em fun¸c˜ao da frequˆencia (tipo B), utilizando-se
o tanque de se¸c˜ao retangular para diversas fra¸c˜oes de ´agua . . . . . . . 94
xii
B.1 Diagrama esquem´atico da fonte de alimenta¸c˜ao DC . . . . . . . . . . . 108
B.2 Diagrama esquem´atico do m´odulo principal do sistema de controle e
aquisi¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
B.3 Diagrama esquem´atico do m´odulo de condicionamento das entradas
anal´ogicas do sistema de controle e aquisi¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . 110
B.4 Diagrama esquem´atico do m´odulo de condicionamento das sa´ıdas
anal´ogicas do sistema de controle e aquisi¸c˜ao . . . . . . . . . . . . . . . 111
B.5 Diagrama esquem´atico do sistema de comunica¸c˜ao embarcada . . . . . 112
xiii
Lista de Abrevia¸c˜oes e S´ımbolos
ANP Agˆencia Nacional de Petr´oleo
DAS Departamento de Automa¸c˜ao e Sistemas
DSP Processador Digital de Sinais (Digital Signal Processor
FMCW Frequency-Modulated Continuous Wave
MC Medidor Convencional
MM Medidor Multif´asico
MUT Material Under Test
PTH Placement Through Hole
RF Radiofreq¨uˆencia
RMN
Ressonˆancia Magn´etica Nuclear
SMD Surface Mount Device
SMT Surface Mount Technology
VCO Voltage Controlled Oscillator
VSWR Voltage Standing Wave Ratio
WC Water-Cut
c Velocidade de propaga¸c˜ao de onda no espa¸co livre
E
q
Energia do quantum
f Freq¨uˆencia
h Constante de Planck
IL Insertion Loss
P
in
Potˆencia incidente
P
r
Potˆencia refletida
P
rad
Potˆencia irradiada
P
t
Potˆencia transmitida
RL Return Loss
v Velocidade de propaga¸c˜ao da onda
r
Permissividade el´etrica relativa
0
Permissividade el´etrica no v´acuo
r∞
Permissividade ´optica
rs
Permissividade est´atica
λ Comprimento de onda
µ
r
Permeabilidade eletromagn´etica relativa
µ
0
Permeabilidade eletromagn´etica no v´acuo
σ Condutividade do meio
Γ
L
Coeficiente de reflex˜ao
xiv
Cap´ıtulo 1
Introdu¸c˜ao
1.1 Contextualiza¸c˜ao do Problema
Com o decl´ınio das reservas de petr´oleo no mundo, a ind´ustria petrol´ıfera se vˆe
obrigada a produzir em lugares e em reservas at´e ent˜ao considerados economicamente
invi´aveis. As condi¸c˜oes operacionais de um po¸co e sua produ¸c˜ao s˜ao avaliadas atrav´es
do conhecimento das fra¸c˜oes de ´oleo, ´agua, gases dissolvidos e demais res´ıduos extra´ıdos
do po¸co. Al´em das fra¸c˜oes de cada componente, tamb´em ´e necess´ario o conhecimento
das velocidades de escoamento de cada uma das fases e, no caso de fra¸c˜oes significativas
de g´as, a densidade, ou massa especifica, das fases. Os parˆametros acima citados
caracterizam o problema da medi¸c˜ao multif´asica na ind´ustria de petr´oleo e g´as natural e
s˜ao important´ıssimos para o monitoramento da produ¸c˜ao dos po¸cos e gerenciamento da
explota¸c˜ao do reservat´orio de onde estes po¸cos pro duzem. Al´em disso, o conhecimento
detalhado de todas as fra¸c˜oes produzidas por cada po¸co serve para o levantamento
da viabilidade econˆomica do projeto. A importˆancia de tal informa¸c˜ao a respeito do
escoamento fica ainda mais evidente nos projetos de recupera¸c˜ao de po¸cos. Na figura
1.1 ´e mostrado o ciclo de vida t´ıpico de um po¸co. Juntamente com o aumento da fra¸c˜ao
de ´agua
1
, ´e comum um aumento da fra¸c˜ao de g´as com o passar dos anos. Apesar de
serem comumente utilizadas t´ecnicas de inje¸c˜ao de ´agua ou g´as na explota¸c˜ao de um
reservat´orio, a maior parte da ´agua e gases explotados s˜ao normalmente provenientes do
pr´oprio reservat´orio. As duas principais aplica¸c˜oes da medi¸c˜ao multif´asica na ind´ustria
de petr´oleo e g´as s˜ao [14]:
• Teste de Po¸cos - engenheiros de reservat´orio necessitam avaliar constantemente
o desempenho de cada po¸co de um campo para poderem otimizar a produ¸c˜ao do
1
em inglˆes Water-Cut
1. Introdu¸c˜ao 2
campo, especialmente nos campos em processo de recupera¸c˜ao por inje¸c˜ao de g´as
ou ´agua;
• Medi¸c˜ao da Produ¸c˜ao - necess´aria quando uma ´unica planta ´e utilizada para o
processamento da produ¸c˜ao de diferentes ´areas de licenciamento, ou ent˜ao quando
a produ¸c˜ao de diferentes ´areas precisa ser transportada atrav´es de um duto co-
mum.
Figura 1.1: Produ¸c˜ao t´ıpica de um po¸co em milhares de barris por dia
O m´etodo comumente empregado para a medi¸c˜ao das fra¸c˜oes baseia-se na utiliza¸c˜ao
de separadores de fase. Para tal ´e necess´ario que o escoamento seja desviado para
uma planta de testes, onde ent˜ao as fases s˜ao separadas e as medi¸c˜oes s˜ao realizadas
utilizando-se Medidores Convencionais (MC), conforme ilustrado na figura 1.2. As
desvantagens desse m´etodo s˜ao [8]:
• ´e necess´ario um longo tempo para a estabiliza¸c˜ao, ou separa¸c˜ao, das fases;
• necessita de uma infra-estrutura espec´ıfica de testes que, por sua vez, ocupa um
espa¸co significativo;
• as medi¸c˜oes n˜ao s˜ao realizadas continuamente, mas sim sobre amostras do escoa-
mento, que n˜ao s˜ao necessariamente representativas da produ¸c˜ao.
Por outro lado, medidores de vaz˜ao multif´asica
2
permitem que a produ¸c˜ao seja
avaliada de forma cont´ınua. Um medidor de vaz˜ao multif´asica ´e um instrumento capaz
2
`as vezes referidos como in-line multiphase meters
1. Introdu¸c˜ao 3
Figura 1.2: M´etodo de avalia¸c˜ao da produ¸c˜ao utilizando separador de fases
de medir, sem separa¸c˜ao das fases, as vaz˜oes de ´oleo, ´agua e g´as, escoando em uma
tubula¸c˜ao. Na figura 1.3 ´e ilustrado uma poss´ıvel configura¸c˜ao quando se utiliza esse
tipo de medidor. Algumas das vantagens da utiliza¸c˜ao de um Medidor Multif´asico
(MM) s˜ao [8]:
Figura 1.3: M´etodo de avalia¸c˜ao da produ¸c˜ao utilizando medidores multif´asicos
• redu¸c˜ao do tempo de medi¸c˜ao;
• elimina¸c˜ao de linhas e separadores de testes;
• melhor gerenciamento do reservat´orio de produ¸c˜ao;
1. Introdu¸c˜ao 4
• explora¸c˜ao de novos campos at´e ent˜ao invi´aveis economicamente;
• melhor controle da vaz˜ao de g´as das v´alvulas de gas lift;
• otimiza¸c˜ao da produ¸c˜ao de petr´oleo;
• detec¸c˜ao de parada de produ¸c˜ao de um po¸co de petr´oleo.
Em contrapartida entre as desvantagens na utiliza¸c˜ao de medidores multif´asicos
podemos citar [14]:
• a amostragem dos fluidos n˜ao est´a dispon´ıvel e, se necess´aria, pode requerer a
instala¸c˜ao de um separador de testes;
• n˜ao existe nenhum padr˜ao metrol´ogico rastre´avel para a aferi¸c˜ao dos medidores
multif´asicos;
3
• pode ser necess´aria a utiliza¸c˜ao de um separador para a remo¸c˜ao de lama e para
fins de limpeza.
Portanto, medidores de vaz˜ao multif´asica, al´em de propiciarem uma medi¸c˜ao mais
representativa dos parˆametros de produ¸c˜ao, implicam em uma redu¸c˜ao dos investimen-
tos em recursos humanos e em instala¸c˜oes. Apesar das vantagens da utiliza¸c˜ao desses
medidores, ´e somente recentemente, com o desenvolvimento tecnol´ogico, que estes me-
didores atingiram os requisitos m´ınimos de incerteza padr˜ao, resolu¸c˜ao e custos requeri-
dos pela ind´ustria para aplica¸c˜oes na produ¸c˜ao, sendo que estes instrumentos ainda n˜ao
atingiram os requisitos m´ınimos exigidos pela ANP para utiliza¸c˜ao fiscal. Ainda assim,
o custo deste tipo de instrumento ainda ´e considerado elevado para muitas aplica¸c˜oes.
1.2 T´ecnicas e M´etodos de Medi¸c˜ao
A medi¸c˜ao multif´asica consiste na utiliza¸c˜ao de equipamentos que permitem a
medi¸c˜ao da vaz˜ao de cada fase, em escoamento multif´asico, sem que seja necess´aria
a separa¸c˜ao dessas fases, para que suas respectivas vaz˜oes (volum´etrica ou m´assica)
sejam determinadas. Nesse tipo de medidor, a medi¸c˜ao das vaz˜oes das fases ´e obtida
atrav´es da interpreta¸c˜ao das medi¸c˜oes realizadas por diferentes sensores, de acordo com
a concep¸c˜ao de medidor adotada. Estes sensores medem os valores de determinados
3
tradu¸c˜ao livre para: ”multiphase metering is not traceable to any accepted standards”
1. Introdu¸c˜ao 5
parˆametros relativos `a fra¸c˜ao de presen¸ca das fases e suas caracter´ısticas fluidas, ou
ainda caracter´ısticas intr´ınsecas do escoamento.
Para a ind´ustria de petr´oleo e g´as natural, a mistura multif´asica de interesse consiste
basicamente de ´agua (normalmente salina), ´oleo cru e gases. Esta ´e a mistura encon-
trada nos reservat´orios de petr´oleo. Dependendo do tipo do reservat´orio e de diversas
condi¸c˜oes geol´ogicas e de produ¸c˜ao, a composi¸c˜ao da mistura pode variar entre os
extremos, e apresentar como fase predominante qualquer um dos trˆes comp onentes,
podendo inclusive n˜ao apresentar algum dos constituintes. O triˆangulo multif´asico ´e
um gr´afico que representa as poss´ıveis composi¸c˜oes encontradas na explota¸c˜ao de um
po¸co de petr´oleo [13]. Al´em disso, o triˆangulo ´e de fundamental importˆancia para a
compreens˜ao da complexidade do problema da medi¸c˜ao multif´asica. Na figura 1.4 ´e
mostrado o triˆangulo multif´asico.
Figura 1.4: Triˆangulo multif´asico [13]
Um medidor multif´asico ideal seria aquele que pudesse medir diretamente as fra¸c˜oes
volum´etricas, as velocidades e as massas espec´ıficas de cada fase ou componente da
mistura, compondo assim as nove inc´ognitas para a resolu¸c˜ao do equacionamento das
vaz˜oes m´assicas de cada fase. Essa forma de medi¸c˜ao multif´asica tamb´em pode ser
classificada como um m´etodo de medi¸c˜ao inferencial. No entanto, tal medidor n˜ao
existe, sendo que a solu¸c˜ao aproximada do problema da vaz˜ao multif´asica ´e obtida
atrav´es de simplifica¸c˜oes, aproxima¸c˜oes e equa¸c˜oes emp´ıricas. Al´em disso, ´e comum a
1. Introdu¸c˜ao 6
utiliza¸c˜ao de artif´ıcios que simplificam de alguma forma o problema como, por exemplo,
a utiliza¸c˜ao de misturadores est´aticos [8], [14]. Os misturadores est´aticos, em teoria,
homogene´ızam a mistura, igualando a velocidade de escoamento das fases constituintes
da mistura e for¸cando um escoamento do tipo homogˆeneo.
Podemos dividir o problema da medi¸c˜ao multif´asica em quatro sub-problemas, ou
categorias gen´ericas [3]:
• determina¸c˜ao dos parˆametros de escoamento
4
;
• determina¸c˜ao das fra¸c˜oes volum´etricas
5
;
• identifica¸c˜ao do tipo do escoamento
6
;
• determina¸c˜ao das propriedades da mistura
7
.
1.2.1 Parˆametros de Escoamento
O principal parˆametro de escoamento medido ´e a velocidade, ou vaz˜ao, do escoa-
mento multif´asico. Existem diversas t´ecnicas intrusivas e n˜ao-intrusivas para medir a
velocidade do escoamento. Abaixo s˜ao descritos e listados os principais tipos de medi-
dores utilizados na determina¸c˜ao da velocidade de escoamento, classificados de acordo
com a t´ecnica de inferˆencia utilizada:
• Press˜ao diferencial: a velocidade do escoamento ´e calculada atrav´es da leitura
da queda de press˜ao, ou press˜ao diferencial, devido a uma restri¸c˜ao de escoa-
mento conhecida. Os tipos mais comuns de restri¸c˜oes utilizadas nesse tipo de
equipamento s˜ao: placas de orif´ıcio, tubos de Venturi, Flow Nozzle e tubo de
Pitot. Para mais detalhes ver [21] e [22].
• Mecˆanico: nesse tip o de medidor s˜ao utilizadas partes m´oveis e a medi¸c˜ao da
velocidade ´e realizada atrav´es da contagem do n´umero de volumes isolados que
passaram atrav´es do medidor. Os principais medidores desse tipo s˜ao medidores
de deslocamento positivo e medidores tipo turbina. Ver [21]
• Ultrassˆonico: a velocidade do escoamento ´e medida atrav´es da altera¸c˜ao na
velocidade de propaga¸c˜ao das ondas de ultrassom no meio. As duas principais
t´ecnicas de inferˆencia utilizadas s˜ao: tempo de trˆansito e efeito Doppler. Para
mais detalhes ver [17] e [5].
4
flow parameters
5
volumetric fraction parameters
6
flow regime parameters
7
mixture properties
1. Introdu¸c˜ao 7
• Correla¸c˜ao Cruzada: a velocidade do escoamento ´e calculada atrav´es da
correla¸c˜ao entre dois sinais provenientes de 2 conjuntos de medi¸c˜ao (transmis-
sor/sensor) distantes entre si de uma distˆancia conhecida. Os sensores utilizados
para fazer a correla¸c˜ao podem ser de raios-X, raios-γ, ´opticos, de impedˆancia
el´etrica, de capacitˆancia el´etrica ou ac´usticos. Ver [5] e [17]
1.2.2 Fra¸c˜oes Volum´etricas
A determina¸c˜ao das fra¸c˜oes volum´etricas das fases constituintes do escoamento mul-
tif´asico pode ser uma tarefa muito complexa caso as velocidades de escoamento das
fases sejam diferentes. Quando as velocidades de escoamento das fases s˜ao diferentes,
ocorre um fenˆomeno chamado de slip, ou em portuguˆes ”escorregamento”[15]. Ge-
ralmente a velocidade da fase gasosa ´e maior do que a das fases l´ıquidas. Quando
ocorre algum tipo de separa¸c˜ao das fases l´ıquidas, o fenˆomeno pode aparecer entre es-
sas fases, implicando em erros de medi¸c˜ao significativos caso o medidor n˜ao implemente
um m´etodo de medi¸c˜ao de velocidade de escoamento diferenciado para cada uma das
fases. Por isso, ´e comum a utiliza¸c˜ao de misturadores antes que a medi¸c˜ao multif´asica
in-line seja realizada, de maneira a homogeneizar a mistura e impedir a separa¸c˜ao das
fases.
A correta determina¸c˜ao das fra¸c˜oes volum´etricas dos constituintes da mistura ´e de
fundamental importˆancia em qualquer tipo de medidor multif´asico. Existem uma infi-
nidade de t´ecnicas, m´etodos e sensores que s˜ao utilizados na determina¸c˜ao das fra¸c˜oes.
De uma maneira geral, podemos dizer que n˜ao existe um m´etodo universal para a deter-
mina¸c˜ao das fra¸c˜oes volum´etricas que seja eficiente para todas as poss´ıveis condi¸c˜oes
de escoamento e misturas. Normalmente a determina¸c˜ao das fra¸c˜oes volum´etricas ´e
realizada atrav´es da correla¸c˜ao das medidas obtidas com dois ou mais m´etodos, ou
sensores. Abaixo s˜ao listados e descritos alguns dos principais m´etodos de medi¸c˜ao
utilizados na determina¸c˜ao das fra¸c˜oes volum´etricas do escoamento:
• Intera¸c˜ao com sinais de microondas: devido `as caracter´ısticas diel´etricas
peculiares da ´agua, ´e muito comum a utiliza¸c˜ao de sinais de microondas na de-
termina¸c˜ao da fra¸c˜ao volum´etrica desse componente. Existem diversas t´ecnicas
de medi¸c˜ao que fazem uso de sinais de microondas na determina¸c˜ao da fra¸c˜ao de
´agua numa mistura, como por exemplo: medi¸c˜ao da atenua¸c˜ao, do atraso de fase
e da freq¨uˆencia de ressonˆancia. Ver [9], [20] e [26].
• Atenua¸c˜ao de sinas de ultrassom: as part´ıculas s´olidas em suspens˜ao, as-
sim como as bolhas de ar presentes num escoamento cuja fase predominante ´e
1. Introdu¸c˜ao 8
l´ıquida, tˆem a propriedade de espalhar
8
ondas de ultrassom. A perda de energia
devido `a dispers˜ao das ondas ultrossˆonicas reflete numa atenua¸c˜ao relativa na
intensidade do sinal de ultrassom transmitido. Esta t´ecnica pode ser utilizada na
determina¸c˜ao da fra¸c˜ao de g´as de uma mistura de ´agua, g´as e ´oleo, por exemplo.
Ver [5].
• Ressonˆancia Magn´etica Nuclear (RMN)
9
: esta t´ecnica baseia-se nas pro-
priedades magn´eticas de alguns ´atomos. Nesse tipo de medi¸c˜ao, os ´atomos inter-
agem com campos magn´eticos est´aticos, for¸cando o spin dos n´ucleos dos ´atomos a
se alinharem com o campo aplicado. Ent˜ao um pulso de ondas eletromagn´eticas
de RF (radiofreq¨uˆencia), de amplo espectro, ´e transmitido ortogonalmente ao
campo est´atico. Quando a freq¨uˆencia do sinal RF transmitido ´e igual `a freq¨uˆencia
de Larmor, ocorre um fenˆomeno de ressonˆancia, e o spin dos ´atomos se inverte.
A energia absorvida devido a esse fenˆomeno pode ser medida e utilizada para
determinar a concentra¸c˜ao de um determinado ´atomo e, indiretamente, a fra¸c˜ao
de uma determinada fase na mistura. Ver [5].
• Atenua¸c˜ao radioativa: este m´etodo utiliza a atenua¸c˜ao, por absor¸c˜ao ou dis-
pers˜ao, por parte do material sob an´alise
10
de raios X ou raios Gama transmi-
tidos atrav´es do meio. As ondas com comprimento de onda da ordem dos raios
X e Gama possuem caracter´ısticas de part´ıculas, s˜ao os chamados f´otons. S˜ao os
f´otons que na verdade s˜ao absorvidos ou dispersados pelos ´atomos do MUT. Para
a libera¸c˜ao dos f´otons s˜ao necess´arias fontes radioativas que podem diretamente
ou indiretamente emitir os raios X ou Gama. Ver [15].
• Varia¸c˜ao da Impedˆancia: existem duas possibilidades de se medir a im-
pedˆancia complexa de um meio: atrav´es da medi¸c˜ao da capacitˆancia ou da in-
dutˆancia do meio. Este m´etodo pode ser utilizado nas misturas bif´asicas, em
que a permeabilidade el´etrica relativa das fases ´e suficientemente diferente, o que
ocorre, por exemplo, no caso da mistura de ´oleo e ´agua. Quando a fase de ´oleo
´e predominante, pode-se utilizar o m´etodo da medi¸c˜ao da capacitˆancia. Caso a
´agua seja a fase predominante, pode-se utilizar o m´etodo da indutˆancia. Ver [22]
e [15].
1.2.3 Tipo do Escoamento
O escoamento multif´asico ´e um fenˆomeno complexo, dif´ıcil de mo delar e de prever.
A varia¸c˜ao do regime de escoamento depende de diversos fatores. Alguns fatores que
8
tradu¸c˜ao para scatter
9
em inglˆes NMR
10
MUT - Material Under Test
1. Introdu¸c˜ao 9
interferem no comportamento transit´orio do escoamento podem ser considerados como
perturba¸c˜oes. Esses fatores podem ser, por exemplo, a abertura ou fechamento de uma
v´alvula, altera¸c˜oes na geometria ou na inclina¸c˜ao da tubula¸c˜ao. Na ausˆencia dessas
perturba¸c˜oes, o regime de escoamento ´e determinado pelas velocidades de escoamento,
propriedades dos fluidos, diˆametro e inclina¸c˜ao da tubula¸c˜ao [14]. Os diversos tipos de
escoamento podem ser agrupados em trˆes tipos:
• Escoamento disperso
11
: caracterizado por uma distribui¸c˜ao uniforme das fases
tanto na dire¸c˜ao radial quanto na dire¸c˜ao axial, conforme mostrado na figura 1.5.
• Escoamento separado
12
: este escoamento ´e caracterizado por uma distribui¸c˜ao
cont´ınua de fases na dire¸c˜ao axial enquanto apresenta uma distribui¸c˜ao n˜ao-
cont´ınua na dire¸c˜ao radial, conforme mostrado na figura 1.6.
• Escoamento intermitente
13
: este tipo de escoamento apresenta uma distri-
bui¸c˜ao n˜ao-cont´ınua de fases na dire¸c˜ao axial, implicando num comportamento
local inst´avel, conforme mostrado na figura 1.7.
Figura 1.5: Exemplos de escoamento disperso [14]
Os efeitos sobre o tipo do escoamento devido `as intera¸c˜oes entre as fases l´ıquidas
s˜ao menos significativos dos que os efeitos devidos `as intera¸c˜oes entre a fase l´ıquida e
gasosa. Portanto, na maioria das situa¸c˜oes, p ode-se considerar o escoamento da fra¸c˜ao
l´ıquida, composta de ´oleo e ´agua, como sendo um escoamento do tipo disperso [14].
Para uma dada tubula¸c˜ao, condi¸c˜oes de press˜ao e fluido multif´asico, pode-se tra¸car um
11
do inglˆes dispersed flow
12
do inglˆes separeted flow
13
do inglˆes intermittent flow
1. Introdu¸c˜ao 10
Figura 1.6: Exemplos de escoamento separado [14]
Figura 1.7: Exemplos de escoamento intermitente [14]
mapa qualitativo dos tipos de escoamentos esperados em fun¸c˜ao das velocidades de
escoamento das fases l´ıquidas e gasosas, conforme mostrado nas figuras 1.8 e 1.9, para
tubula¸c˜oes verticais e horizontais respectivamente.
Apesar da relevˆancia e influˆencia do tipo do escoamento para a medi¸c˜ao multif´asica,
a maior parte das t´ecnicas utilizadas na determina¸c˜ao dos parˆametros do escoamento
e das fra¸c˜oes volum´etricas requerem que o escoamento seja homogeneizado. Isso ca-
racteriza, portanto, um escoamento disperso com rela¸c˜ao `as fases l´ıquidas e l´ıquido-
gasosa. Alguns dos princ´ıpios de medi¸c˜ao citados anteriormente podem ser utilizados
para se obter uma imagem tomogr´afica do escoamento. A imagem obtida p ode ser
ent˜ao utilizada para a determina¸c˜ao de parˆametros de interesse como, por exemplo,
fra¸c˜oes volum´etricas e tipos de escoamento [15]. As t´ecnicas de imagem normalmente
utilizam um conjunto de sensores, ou detectores, dispostos radialmente na tubula¸c˜ao
1. Introdu¸c˜ao 11
Figura 1.8: Mapa de escoamento multif´asico para um escoamento vertical [14]
Figura 1.9: Mapa de escoamento multif´asico para um escoamento horizontal [14]
de escoamento. Apesar da complexidade e da capacidade computacional exigida, as
t´ecnicas de imagem permitem a determina¸c˜ao experimental do tipo de escoamento.
Outra t´ecnica utilizada na determina¸c˜ao do tipo de escoamento consiste na utiliza¸c˜ao
de redes neuronais [16]. As redes neuronais caracterizam um tipo de medi¸c˜ao chamado
1. Introdu¸c˜ao 12
de caixa-preta
14
. Neste tipo de abordagem a modelagem te´orica do fenˆomeno ´e me-
nos importante dos que os resultados obtidos atrav´es de um grupo de sensores. Uma
vez coletados, os dados relativos ao escoamento podem ser utilizados no treinamento
da rede neuronal, que por sua vez pode identificar padr˜oes de escoamento atrav´es da
correla¸c˜ao de diversas medi¸c˜oes.
1.2.4 Propriedades da mistura
Complementarmente `a medi¸c˜ao das fra¸c˜oes volum´etricas, velocidades de escoamento
e padr˜ao de escoamento, um conjunto de outros parˆametros da mistura e do escoamento
se faz necess´ario para a solu¸c˜ao, ou redu¸c˜ao das incertezas das medi¸c˜oes, do problema
da medi¸c˜ao multif´asica. Podemos citar os seguintes parˆametros como relevantes ao
problema [3]:
• densidades;
• salinidade;
• temperatura;
• press˜ao;
• constante diel´etrica.
Dependendo do m´etodo de medi¸c˜ao empregado na determina¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua
da mistura, algumas compensa¸c˜oes na medi¸c˜ao podem ser necess´arias. Isto ocorre
quando existe uma influˆencia direta de um determinado parˆametro sobre a medi¸c˜ao em
quest˜ao como, por exemplo, a temperatura e a salinidade, que interferem nas medi¸c˜oes
realizadas utilizando-se tecnologia de microondas [9]. Quando se deseja calcular a
vaz˜ao m´assica da mistura, parˆametros como as densidades, press˜ao e temperatura se
tornam indispens´aveis. A importˆancia de um determinado parˆametro depende das
t´ecnicas de medi¸c˜ao adotadas e do prop´osito espec´ıfico do medidor concebido. De
uma maneira geral, quanto maior o n´umero de parˆametros do escoamento, mistura e
componentes forem determinados, melhor e mais precisos tendem a ser os resultados
obtidos. No entanto, a determina¸c˜ao da correta correla¸c˜ao entre as diversas proprie-
dades medidas torna-se uma tarefa cada vez complexa. M´etodos do tipo caixa-preta,
aplicados utilizando-se algum tipo de inteligˆencia computacional e que fazem uso da
grande capacidade de processamento dos sistemas digitais mo dernos ganham cada vez
mais importˆancia e tornam-se cada vez mais importantes para a solu¸c˜ao do problema
da medi¸c˜ao multif´asica [3], [16].
14
do inglˆes black-box
1. Introdu¸c˜ao 13
1.3 Medi¸c˜ao utilizando microondas
A absor¸c˜ao de microondas ´e um m´etodo de inferˆencia muito difundido e utilizado
na determina¸c˜ao da fra¸c˜ao, ou composi¸c˜ao, de ´agua de uma mistura. Isto ´e poss´ıvel
gra¸cas `as caracter´ısticas diel´etricas da ´agua, bem distintas dos demais componentes
da mistura comumente encontrada nos po¸cos de petr´oleo. Algumas das vantagens
da utiliza¸c˜ao deste tipo de sensor para a medi¸c˜ao das propriedades dos materiais s˜ao
abaixo listadas [20]:
• n˜ao necessitam de contato f´ısico com o processo;
• as microondas penetram em praticamente todos os materiais, com exce¸c˜ao dos
metais, sendo portanto, os resultados representativos do volume do material sob
an´alise e n˜ao somente da superf´ıcie;
• de uma maneira geral, a ´agua apresenta um bom contraste em rela¸c˜ao aos demais
materiais, tornando este tipo de medidor aconselh´avel para a medi¸c˜ao da fra¸c˜ao
de ´agua;
• os sensores de microondas n˜ao s˜ao sens´ıveis a condi¸c˜oes ambientais como vapores
de ´agua, sujeira e altas temperaturas;
• para as potˆencias de transmiss˜ao normalmente utilizadas neste tip o de aplica¸c˜ao,
as microondas (radia¸c˜oes n˜ao-ionizantes) s˜ao um m´etodo seguro para humanos,
em contraste com os m´etodos que utilizam radia¸c˜oes ionizantes;
• para as freq¨uˆencias de microondas, a influˆencia da propriedade el´etrica de condu-
tividade DC
15
dos materiais pode ser desprezada;
• sensores de microondas s˜ao r´apidos, possuindo um tempo de resposta pequeno;
• as microondas n˜ao afetam o material sob an´alise.
As microondas interagem com os materiais de diferentes formas. A intera¸c˜ao pode
se dar na forma de absor¸c˜ao, emiss˜ao, refra¸c˜ao, dispers˜ao, reflex˜ao ou altera¸c˜ao da
velocidade e da fase. Dependendo do arranjo de medi¸c˜ao adotado e do fenˆomeno de
intera¸c˜ao no qual baseia-se o sensor utilizado, os sensores de microondas po dem ser
classificados em grupos. Alguns dos principais grupos s˜ao [20]:
• sensores de transmiss˜ao
16
;
15
DC conductivity
16
tradu¸c˜ao livre do inglˆes transmission sensors
1. Introdu¸c˜ao 14
• sensores de ressonˆancia;
• radares e sensores de reflex˜ao;
• radiˆometros;
• sensores tomogr´aficos;
• sensores especiais.
Basicamente, o que distingue um tipo de sensor do outro ´e a maneira como o sistema
de microondas interage com os materiais e qual fenˆomeno de intera¸c˜ao est´a sendo
avaliado. De uma maneira geral, os sensores, sistemas de transmiss˜ao e processamento
dos sinais de microondas s˜ao muito similares.
Os sensores de cavidade de ressonˆancia s˜ao os mais utilizados na medi¸c˜ao da fra¸c˜ao
de ´agua em aplica¸c˜oes na ind´ustria de ´oleo e g´as natural [9], [20]. Os sensores de
transmiss˜ao tamb´em s˜ao citados [9], mas devido `a grande atenua¸c˜ao que os sinais de
microondas sofrem devido a grandes fra¸c˜oes de ´agua, sua utiliza¸c˜ao n˜ao ´e t˜ao difundida.
Os sensores de transmiss˜ao s˜ao mais simples de serem implementados e desenvolvidos
do que os sensores do tipo cavidade de ressonˆancia, e por isso ser˜ao estudados no
presente trabalho, caracterizando um primeiro esfor¸co na tentativa de dom´ınio dessa
tecnologia.
´
E importante ressaltar que existe um n´umero reduzido de fabricantes ofertando
medidores multif´asicos e medidores de fra¸c˜ao de ´agua que utilizam tecnologia de mi-
croondas. Al´em disso, talvez por motivos estrat´egicos, esses fabricantes disponibilizam
poucos dados e informa¸c˜oes a respeito dos seus produtos. H´a tamb´em poucos artigos
e referˆencias sobre o assunto.
1.4 Aplica¸c˜oes de Sensores de Microondas na
Ind´ustria de Petr´oleo e G´as
Os sensores de microondas s˜ao utilizados na ind´ustria de petr´oleo e g´as principal-
mente na medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua. Tamb´em s˜ao utilizados na medi¸c˜ao de n´ıveis de
tanques. Outra aplica¸c˜ao n˜ao diretamente relacionada ´e na medi¸c˜ao de vazamentos de
´oleo nos oceanos. A medi¸c˜ao de fra¸c˜ao de ´agua, utilizando-se tecnologia de microondas,
´e utilizada em diversas aplica¸c˜oes, das quais podemos citar:
1. Introdu¸c˜ao 15
• Medi¸c˜ao downhole: a utiliza¸c˜ao de m´ultiplos boreholes, ou perfura¸c˜oes, na
explota¸c˜ao do petr´oleo ´e uma tendˆencia na tecnologia de gerenciamento de re-
servat´orios. Nessa situa¸c˜ao, a produ¸c˜ao de muitas zonas de produ¸c˜ao conver-
gem para um po¸co principal. Para a otimiza¸c˜ao da produ¸c˜ao e recupera¸c˜ao
desses reservat´orios ´e necess´ario que a produ¸c˜ao de cada zona possa ser medida
e controlada de maneira independente. A utiliza¸c˜ao de medidores de fra¸c˜ao de
´agua capazes de medir a fra¸c˜ao de ´agua de cada zona p ermite aos operadores e
e engenheiros de reservat´orio monitorar continuamente as fra¸c˜oes de ´agua e ´oleo
produzidas, permitindo a detec¸c˜ao de uma frente de ´agua numa determinada
zona de produ¸c˜ao [20].
• Medi¸c˜ao da produ¸c˜ao no mainfold principal: os medidores de fra¸c˜ao de
´agua tamb´em podem ser utilizados na sa´ıda de um mainfold para permitir a
avalia¸c˜ao da produ¸c˜ao de um conjunto de po¸cos.
• Medi¸c˜ao da produ¸c˜ao e de cust´odia: os medidores de fra¸c˜ao de ´agua s˜ao uti-
lizados na sa´ıda de ´oleo de separadores prim´arios, de maneira a corrigir pequenos
desvios da produ¸c˜ao devido `a presen¸ca de quantidades m´ınimas de ´agua.
1.5 Objetivos
O presente trabalho se insere em um projeto de pesquisa, dentro do DAS/USFC
(Departamento de Automa¸c˜ao e Sistemas), cujo objetivo final ´e o desenvolvimento,
an´alise e calibra¸c˜ao de um prot´otipo de um medidor de vaz˜ao multif´asica de baixo custo,
n˜ao intrusivo, capaz de medir as fra¸c˜oes dos componentes do escoamento multif´asico
(´agua/´oleo/g´as) e suas vaz˜oes volum´etricas. Para tal ´e necess´ario o desenvolvimento e
avalia¸c˜ao das diversas partes constituintes do sistema de medi¸c˜ao multif´asico.
A primeira etapa do projeto consiste no desenvolvimento de um medidor de fra¸c˜ao
de ´agua que utilize tecnologia de microondas. Para avaliar algumas das diversas
t´ecnicas de inferˆencia utilizando-se microondas foi constru´ıda uma bancada para en-
saios. Para que os testes fossem poss´ıveis tamb´em foi desenvolvida uma unidade micro-
processada de controle e aquisi¸c˜ao de sinais. A unidade de controle e aquisi¸c˜ao desen-
volvida para a bancada de testes ´e a base da unidade de processamento do prot´otipo
do medidor de fra¸c˜ao de ´agua.
Os objetivos do trabalho s˜ao abaixo listados:
• Desenvolvimento de uma unidade de controle e aquisi¸c˜ao de dados, utilizando
um processador digital de sinais (DSP), com comunica¸c˜ao em rede atrav´es do
protocolo Modbus TCP/IP com um software supervis´orio;
1. Introdu¸c˜ao 16
• Desenvolvimento de um software supervis´orio, em ambiente Windows, para a
aquisi¸c˜ao de dados e configura¸c˜ao da unidade de aquisi¸c˜ao e controle.
• Constru¸c˜ao de uma bancada de testes est´aticos para avalia¸c˜ao das diversas
t´ecnicas de inferˆencia utilizando microondas para misturas bif´asicas homogenei-
zadas.
• Avalia¸c˜ao da viabilidade das t´ecnicas de medi¸c˜ao baseadas na tecnologia de
microondas para a utiliza¸c˜ao na medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua em aplica¸c˜oes da
ind´ustria de petr´oleo e g´as.
Os resultados do presente trabalho s˜ao importantes para o desenvolvimento de um
medidor de fra¸c˜ao de ´agua industrial e, posteriormente, um medidor multif´asico. A
principal simplifica¸c˜ao assumida no trabalho ´e a composi¸c˜ao bif´asica (´agua/´oleo) do
fluido. Na presen¸ca de g´as, s˜ao esperados erros na determina¸c˜ao da fra¸c˜ao ou da
porcentagem de ´oleo na mistura, quando se utiliza somente um medidor de fra¸c˜ao de
´agua.
T˜ao importante quanto os resultados obtidos nos testes ´e o dom´ınio da tecnologia de
instrumenta¸c˜ao baseada em microondas. Tal tecnologia possui um custo relativamente
alto. De uma maneira geral, quanto mais alta a freq¨uˆencia, maiores os custos dos
equipamentos eletrˆonicos necess´arios. Al´em disso, a maior parte dos componentes e
equipamentos utilizados s˜ao para uso na ind´ustria militar ou na ind´ustria aeroespacial,
fato este que encarece e dificulta ainda mais a compra e o desenvolvimento com tal
tecnologia.
1.6 Organiza¸c˜ao da Disserta¸c˜ao
No cap´ıtulo 2 ´e realizada uma revis˜ao condensada da bibliografia referente a medi-
dores de microondas. S˜ao apresentados alguns fundamentos te´oricos sobre a tecnologia
de microondas de maneira a proporcionar `aqueles que n˜ao s˜ao da ´area uma introdu¸c˜ao
ao assunto.
No cap´ıtulo 3 ´e apresentado o sistema experimental, constitu´ıdo da bancada de
testes e medi¸c˜ao. Cada uma das partes constituintes da solu¸c˜ao adotada ´e detalhada
e justificada.
No cap´ıtulo 4 s˜ao apresentados os resultados experimentais obtidos com o sistema.
Tamb´em s˜ao descritos e comentados os ensaios que foram realizados para a obten¸c˜ao
dos resultados apresentados.
1. Introdu¸c˜ao 17
No cap´ıtulo 5 s˜ao apresentadas as conclus˜oes do trabalho. A efic´acia do sistema ex-
perimental de medi¸c˜ao e das t´ecnicas de medi¸c˜ao estudadas s˜ao comentadas. Tamb´em
s˜ao apresentadas sugest˜oes para trabalhos futuros, bem como uma lista de poss´ıveis
melhorias.
Cap´ıtulo 2
Fundamentos Te´oricos
Neste cap´ıtulo ´e realizada uma revis˜ao bibliogr´afica da literatura. S˜ao apresentados,
de maneira condensada, alguns fundamentos te´oricos sobre eletromagnetismo, intera¸c˜ao
das ondas eletromagn´eticas com os materiais e sensores de microondas. O objetivo ´e
introduzir o assunto `aqueles que n˜ao s˜ao da ´area. O conte´udo do presente cap´ıtulo
foi todo extra´ıdo da literatura, assim como a maior parte das figuras mostradas. A
fonte de referˆencia das figuras ´e mostrada na sua descri¸c˜ao. Os temas s˜ao abordados de
maneira introdut´oria e ilustrativa. Para mais detalhes devem-se consultar as referˆencias
sugeridas para o tema.
2.1 Ondas Eletromagn´eticas
As chamadas Microondas, assim como a luz vis´ıvel e os raios-X, s˜ao ondas eletro-
magn´eticas. O que difere as micro ondas das demais ondas eletromagn´eticas ´e o seu
comprimento de onda λ, ou sua freq¨uˆencia. O comprimento de onda λ e a freq¨uˆencia
f se correlacionam atrav´es da velocidade de propaga¸c˜ao c, dada pela equa¸c˜ao 2.1. A
figura 2.1 mostra como ´e dividido e categorizado o espectro eletromagn´etico.
λf = v. (2.1)
A radia¸c˜ao eletromagn´etica possui uma natureza dual, comportando-se tanto como
onda quanto como part´ıcula ao mesmo temp o. O comportamento de part´ıcula ´e expli-
cado pela f´ısica quˆantica. De acordo com a f´ısica quˆantica, a energia eletromagn´etica
tem uma natureza discreta e n˜ao pode existir em quantidades arbitr´arias, mas sim em
m´ultiplos da menor quantidade poss´ıvel, chamada de quantum (ou f´oton no caso da luz
vis´ıvel). A energia de um quantum se relaciona com a freq¨uˆencia atrav´es da equa¸c˜ao
2. Fundamentos Te´oricos 19
Figura 2.1: Esp ectro eletromagn´etico
E
q
= hf, (2.2)
onde E
q
´e a energia do quantum e h ´e a constante de Planck (h = 6, 626 × 10
−34
Js).
Assim, nas altas freq¨uˆencias (parte superior do espectro) o comportamento de part´ıcula
´e acentuado, por isso falamos em raios (raios Gama e raios-X). No entanto, na faixa
das microondas a energia do quantum ´e muito pequena e, portanto, podemos desprezar
o comportamento part´ıcula e considerar as microondas como ondas somente.
2. Fundamentos Te´oricos 20
2.2 Propaga¸c˜ao das Ondas Eletromagn´eticas
As ondas eletromagn´eticas podem propagar-se livremente atrav´es do espa¸co (ar ou
v´acuo, por exemplo) ou atrav´es de linhas de transmiss˜ao, ou guias-de-onda. As on-
das eletromagn´eticas tamb´em podem propagar-se atrav´es dos materiais, estando, no
entanto, sujeitas a n´ıveis de atenua¸c˜ao maiores ou menores dependendo, de uma ma-
neira geral, da permissividade, da permeabilidade e da condutividade do meio, al´em
da freq¨uˆencia da onda eletromagn´etica que se propaga. A propaga¸c˜ao das ondas ele-
tromagn´eticas ´e descrita atrav´es das equa¸c˜oes de Maxwell [11], [9], [6], as quais n˜ao
ser˜ao aqui mostradas nem abordadas, pois fogem do escopo do presente trabalho.
O fenˆomeno da propaga¸c˜ao eletromagn´etica, seja no v´acuo ou atrav´es de outro meio
qualquer, ´e regido por trˆes propriedades do meio: pela permissividade el´etrica [], pela
permeabilidade eletromagn´etica [µ] e pela condutividade [σ]. As duas constantes se
correlacionam atrav´es da equa¸c˜ao 2.3, conhecida como a equa¸c˜ao de onda eletro-
magn´etica.
∇
2
E − µ
∂
2
E
∂t
2
= 0, (2.3)
onde E ´e a intensidade do campo el´etrico. A velocidade de propaga¸c˜ao de uma onda
num meio depende das constantes de permissividade e permeabilidade do material.
Para meios sem perda a velocidade de propaga¸c˜ao pode ser expressa pela equa¸c˜ao
v =
1
√
µ
. (2.4)
Os valores das constantes de permissividade (ou diel´etrica) e permeabilidade no
v´acuo s˜ao
0
= 8.854 × 10
−12
[F/m] (F arad/metros), (2.5)
µ
0
= 4π × 10
−7
[H/m] (Henry/metros) (2.6)
Para os valores acima, a velocidade de propaga¸c˜ao c
0
´e de 2.998 ×10
8
m/s, que ´e a
velocidade de propaga¸c˜ao da luz no v´acuo. Por volta de 1860 Maxwell determinou que
a velocidade de uma onda eletromagn´etica corresponde a 193.088 milhas por segundo.
Nessa ´epoca a melhor medida direta existente da velocidade da luz era 193.118 milhas
por segundo. A partir dessa informa¸c˜ao, Maxwell chegou `a conclus˜ao que a luz deveria
ser um fenˆomeno eletromagn´etico [1].
2. Fundamentos Te´oricos 21
2.3 Intera¸c˜ao das Microondas com os Materiais
As microondas propagam-se em praticamente qualquer meio, sendo afetadas pelo
meio em diversas maneiras. Os materiais n˜ao-condutores, ou que s˜ao p´essimos condu-
tores, s˜ao chamados de materiais diel´etricos. Nos materiais diel´etricos, devido `as in-
tera¸c˜oes eletromagn´eticas das ondas com as cargas el´etricas dos materiais (el´etrons,
´ıons, mol´eculas polares), ou ent˜ao com os dipolos magn´eticos do meio, as microondas
s˜ao atenuadas.
A atenua¸c˜ao de um sinal de microondas ´e normalmente medida em decib´eis dB. A
atenua¸c˜ao da amplitude de um campo ´e dada pela equa¸c˜ao
A
E
(dB) = 20 log
10
E
2
E
1
. (2.7)
Por ser a potˆencia proporcional ao quadrado da amplitude do campo, a atenua¸c˜ao,
ou ganho, na potˆencia do sinal eletromagn´etico ´e dada pela equa¸c˜ao
A
P
(dB) = 10 log
10
P
2
P
1
. (2.8)
Conforme apontado anteriormente, a intera¸c˜ao das ondas eletromagn´eticas com o
meio depende das constantes de permissividade e permeabilidade do meio. As duas
constantes s˜ao expressas matematicamente como n´umeros complexos, conforme des-
crito abaixo
µ
r
= µ
r
− jµ
r
, (2.9)
r
=
r
− j
r
. (2.10)
O ´ındice r nas equa¸c˜oes acima indica que tratam-se de grandezas relativas. A
referˆencia nesse caso ´e a permissividade el´etrica
0
e a permeabilidade µ
0
do v´acuo. As
grandezas se relacionam atrav´es das equa¸c˜oes
=
r
0
, (2.11)
µ = µ
r
µ
0
. (2.12)
2. Fundamentos Te´oricos 22
As propriedades eletromagn´eticas do meio s˜ao, portanto, descritas atrav´es de quatro
constantes praticamente independentes (
r
,
r
, µ
r
, µ
r
), as quais, por sua vez, dependem
de outras propriedades f´ısicas do meio (como por exemplo: mistura, composi¸c˜ao, den-
sidade, temperatura, entre outras) e tamb´em da freq¨uˆencia de medi¸c˜ao utilizada.
Atrav´es do conhecimento da rela¸c˜ao entre
r
, µ
r
e as propriedades de um dado
material, pode-se inferir sobre a composi¸c˜ao, ou mistura, do material atrav´es da an´alise
dos parˆametros de propaga¸c˜ao da onda nesse meio. Para materiais n˜ao magn´eticos
podemos assumir µ
r
= 1. Nesse caso, o problema fica reduzido `a an´alise da constante
de permissividade el´etrica do material.
Al´em dos fatores de propaga¸c˜ao do meio, este tamb´em interage com as ondas ele-
tromagn´eticas atrav´es da refra¸c˜ao e reflex˜ao das ondas. Tais intera¸c˜oes n˜ao ser˜ao aqui
descritas, pois fogem do escopo e dos objetivos do presente trabalho. A reflex˜ao das
ondas eletromagn´eticas ´e o princ´ıpio b´asico de sistemas de radar. Mais informa¸c˜oes
sobre esse tipo de intera¸c˜oes e sistemas, podem ser encontradas em [6], [11].
2.4 Propriedades Diel´etricas dos Materiais
Os materiais s˜ao normalmente compostos de part´ıculas eletricamente carregadas, as
quais se arranjam de tal maneira que qualquer regi˜ao macrosc´opica do material torna-
se eletricamente neutra. Quando submetida a um campo el´etrico externo E
e
, este age
como uma for¸ca externa, alterando o equil´ıbrio natural da regi˜ao a ele submetida. As
part´ıculas positivas e negativas movem-se em dire¸c˜oes opostas, polarizando a regi˜ao.
Essa p olariza¸c˜ao produz um campo el´etrico interno (E
i
) inferior ao campo externo. A
permissividade relativa ´e uma medida dos efeitos polarizantes na for¸ca do campo, ou
seja, qu˜ao facilmente o meio ´e polarizado.
A parte complexa de
r
, ou seja
r
(ver equa¸c˜ao 2.10), est´a relacionada `a capacidade
dissipativa do meio, e nos d´a uma medida da atenua¸c˜ao imposta pelo meio `a propaga¸c˜ao
de uma onda eletromagn´etica atrav´es desse. Num meio onde h´a perdas diel´etricas, a
energia eletromagn´etica ´e gradualmente transformada em calor. Tal perda ´e devida `a
fric¸c˜ao provocada pelo deslocamento das cargas el´etricas quando o material se polariza.
A p olariza¸c˜ao ocorre constantemente, em sincronia com o campo el´etrico alternado
induzido pela propaga¸c˜ao da onda eletromagn´etica atrav´es do meio. O valor de
r
´e
sempre positivo e normalmente muito inferior a
r
. O menor valor para
r
´e zero, num
meio onde n˜ao h´a perdas diel´etricas.
A parte real de
r
, ou seja
r
(ver equa¸c˜ao 2.10), est´a relacionada `a altera¸c˜oes na
rela¸c˜ao entre as intensidades dos campos el´etricos e eletromagn´eticos. A rela¸c˜ao entre
2. Fundamentos Te´oricos 23
as intensidades dos campos el´etricos e magn´eticos caracteriza a impedˆancia da onda.
A parte real de
r
tamb´em est´a relacionada `a velocidade de propaga¸c˜ao da onda no
meio. Isso implica num atraso no tempo de propaga¸c˜ao da onda, relativo `a onda que
se propaga no v´acuo. Este fenˆomeno tamb´em pode ser interpretado como um atraso
na fase do sinal transmitido. A equa¸c˜ao abaixo ´e uma correla¸c˜ao aproximada, para
materiais n˜ao magn´eticos e com baixas perdas diel´etricas (
r
r
) [9]
c =
c
0
r
. (2.13)
2.4.1 Propriedades Diel´etricas da
´
Agua
Devido `as caracter´ısticas diel´etricas da ´agua, ´e comum a utiliza¸c˜ao de medidores
de microondas na determina¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua de uma mistura. As mol´eculas de
´agua, devido `a sua estrutura molecular peculiar, caracterizam um dipolo permanente,
conforme mostrado na figura 2.2. Este dipolo permanente cria na mol´ecula de ´agua
um momento de dipolo diferente de zero. Devido a esse momento permanente das
mol´eculas de ´agua, a ´agua l´ıquida ´e considerada uma substˆancia polar.
Figura 2.2: Mol´ecula de ´agua
A permissividade da ´agua ´e altamente dependente de fatores externos como a tem-
peratura e a salinidade. Com o aumento da temperatura, a for¸ca das liga¸c˜oes dos
´atomos de hidrogˆenio se enfraquece. O efeito do enfraquecimento de tais liga¸c˜oes ´e que
a parte real da permissividade el´etrica se reduz. O dipolo se movimenta com mais faci-
lidade e em mais altas freq¨uˆencias, reduzindo as perdas diel´etricas (fator complexo da
permissividade el´etrica), e o arrasto no movimento de rota¸c˜ao das mol´eculas ´e reduzido,
2. Fundamentos Te´oricos 24
causando menos fric¸c˜ao e, conseq¨uentemente, menos perdas diel´etricas tamb´em. A pre-
sen¸ca de sais dissolvidos na ´agua altera a estrutura natural das mol´eculas, reduzindo
o fator real da permissividade el´etrica do meio [7].
Por se tratar de uma substˆancia polar, a permissividade da ´agua obedece `a rela¸c˜ao
de Debye [9]. Al´em disso, caso a ´agua possua sais dissolvidos, ´e necess´ario se levar em
considera¸c˜ao no c´alculo da permissividade el´etrica o termo referente `a condutividade
da ´agua. A permissividade el´etrica pode ser expressa pela equa¸c˜ao
r
=
r∞
+
rs
−
r∞
1 + jωτ
− j
σ
ω
0
, (2.14)
onde
r∞
´e a permissividade ´optica, para altas freq¨uˆencias (quando ω → ∞),
rs
´e
a permissividade est´atica, para baixas freq¨uˆencias (quando ω → 0), τ ´e o tempo de
relaxa¸c˜ao e est´a associada com a constante de tempo da resposta da polariza¸c˜ao a um
degrau no campo el´etrico, e σ corresponde `a condutividade do meio.
No gr´afico da figura 2.3 ´e mostrado como a permissividade el´etrica da ´agua pura va-
ria com a temperatura para diferentes freq¨uˆencias. As linhas vermelhas correspondem
`a varia¸c˜ao da parte real da permissividade el´etrica (
r
) com a temperatura, enquanto as
linhas verdes correspondem a varia¸c˜ao da parte imagin´aria da permissividade el´etrica
(
r
). No gr´afico 2.4 s˜ao mostradas as mesmas curvas do gr´afico 2.3 para a ´agua com
uma concentra¸c˜ao de sais de 10ppt.
Figura 2.3: Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua pura com o aumento da tem-
peratura para diferentes freq¨uˆencias [7]
2. Fundamentos Te´oricos 25
Figura 2.4: Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua salgada (10 ppt) com o au-
mento da temperatura para diferentes freq¨uˆencias [7]
A influˆencia da presen¸ca de diferentes concentra¸c˜oes de sais na constante diel´etrica
da ´agua ´e mostrada com mais detalhes na figura 2.5, para uma freq¨uˆencia fixa.
Figura 2.5: Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua salgada com o aumento da
temperatura para diferentes concentra¸c˜oes de sais [7]
A combina¸c˜ao dos gr´aficos anteriores pode ser qualitativamente representada pelo
2. Fundamentos Te´oricos 26
gr´afico 2.6, onde as linhas tracejadas ilustram as varia¸c˜oes da constante diel´etrica da
´agua na presen¸ca de sais e as setas representam o sentido da varia¸c˜ao da constante
diel´etrica com o aumento da temperatura.
Figura 2.6: Varia¸c˜ao da permissividade el´etrica da ´agua com a freq¨uˆencia, temperatura
e concentra¸c˜ao de sais [7]
2.5 Gera¸c˜ao, Transmiss˜ao e Processamento de Si-
nais de Microondas
Para a gera¸c˜ao, transmiss˜ao, recep¸c˜ao e processamento de sinais de microondas s˜ao
necess´arios diversos componentes passivos e ativos (estado s´olido), espec´ıficos para este
tipo de sinal, os quais s˜ao conectados atrav´es de guias-de-onda. Dentre os componentes
passivos podemos citar: antenas, guias-de-onda, cabos coaxiais, terminadores, atenua-
dores, divisores de potˆencia
1
, filtros, isoladores, circuladores
2
, entre outros. Alguns
exemplos de componentes ativos, ou de estado-s´olido, s˜ao: osciladores, VCOs (Vol-
tage Controlled Oscilators), detectores, interruptores
3
, misturadores
4
, amplificadores
e atenuadores control´aveis.
1
do inglˆes power dividers
2
do inglˆes circulators
3
do inglˆes switches
4
do inglˆes mixers
2. Fundamentos Te´oricos 27
Pela classifica¸c˜ao acima, s˜ao considerados ativos todos os componentes de estado-
s´olido. No entanto, outras classifica¸c˜oes consideram como ativos componentes que
possuem resistˆencia negativa e que s˜ao capazes de gerar um sinal de RF a partir de
uma polariza¸c˜ao DC [6].
2.5.1 Parˆametros de Sistemas de Microondas
Um sistema de microondas ´e composto por diversos componentes, passivos e ativos,
interconectados por linhas de transmiss˜ao. A eficiˆencia do sistema como um todo ´e cal-
culada atrav´es do conhecimento da eficiˆencia de cada uma das partes que o comp˜oem.
Para medir a eficiˆencia de cada um dos componentes, incluindo as linhas de trans-
miss˜ao, s˜ao utilizados diversos parˆametros. Alguns dos parˆametros mais importantes
s˜ao apresentados a seguir:
a) Coeficiente de Reflex˜ao
A reflex˜ao de uma parcela da potˆencia do sinal transmitido entre dois compo-
nentes ocorre quando n˜ao h´a um casamento da impedˆancia caracter´ıstica da linha de
transmiss˜ao, Z
0
, com a impedˆancia de entrada do componente, Z
L
. O coeficiente de
reflex˜ao Γ
L
tamb´em pode ser determinado em fun¸c˜ao de Z
0
e Z
L
, onde o casamento das
impedˆancias (Z
0
= Z
L
) proporciona a m´axima transferˆencia de potˆencia e, conseq¨uen-
temente, um coeficiente de reflex˜ao nulo, conforme a equa¸c˜ao [6]
Γ
L
=
Z
L
− Z
0
Z
L
+ Z
0
. (2.15)
A potˆencia refletida P
r
por um dado componente pode ser calculada atrav´es do
coeficiente de reflex˜ao conforme a equa¸c˜ao [6]
P
r
= |Γ
L
|
2
P
in
, (2.16)
onde P
in
´e a potˆencia incidente. A potˆencia efetivamente transmitida P
t
para o com-
ponente ´e dada pela diferen¸ca entre P
in
e P
r
.
b) Coeficiente de Onda Estacion´aria (VSWR)
O coeficiente de onda estacion´aria VSWR (do inglˆes Voltage Standing Wave Ratio)
est´a relacionado `as intera¸c˜oes entre o sinal incidente e o refletido. Nos casos onde
2. Fundamentos Te´oricos 28
n˜ao h´a o casamento entre a impedˆancia caracter´ıstica da linha de transmiss˜ao com
a impedˆancia de entrada e, portanto, uma parte da potˆencia incidente ´e refletida, a
intera¸c˜ao entre a onda incidente e a refletida produz um padr˜ao de onda estacion´aria
ao longo da linha de transmiss˜ao. O VSWR pode ser expresso em fun¸c˜ao do coeficiente
de reflex˜ao Γ
L
do componente, conforme a equa¸c˜ao
V SW R =
1 + |Γ
L
|
1 − |Γ
L
|
. (2.17)
c) Perdas de Inser¸c˜ao e Perdas de Retorno
As perdas de inser¸c˜ao
5
(IL) e as perdas de retorno
6
(RL) de um componente s˜ao
dadas pelas equa¸c˜oes 2.18 e 2.19 respectivamente.
IL = 10 log
P
in
P
t
, (2.18)
RL = 10 log
P
in
P
r
= 20 log |Γ
L
|, (2.19)
onde P
t
´e a potˆencia efetivamente transmitida ao componente e P
in
´e potˆencia incidente
no componente.
d) Potˆencia de Sa´ıda (dBm)
As medidas em decib´eis [dB] s˜ao normalmente relativas, ou expressam algum tipo
de ganho. No entanto, a escala logar´ıtmica tamb´em pode ser utilizada para expressar
valores absolutos de p otˆencia, sendo para tal necess´ario que se estabele¸ca uma unidade
de referˆencia. Em sistemas de microondas s˜ao normalmente utilizadas como referˆencias
1mW e 1W . A unidade dBm ´e expressa em dB relativos a 1mW , conforme a equa¸c˜ao
abaixo
P (dBm) = 10 log P (mW ). (2.20)
Utilizando-se a f´ormula acima obt´em-se que uma medida de 0dBm de potˆencia ´e
equivalente a 1mW , assim como uma medida de 30dBm equivale a 1W . A unidade
dBW tem 1W como potˆencia de referˆencia. Assim sendo, 0dBW equivale a 1W , bem
como −10dBW equivale a 0, 1W .
5
do inglˆes Insertion Loss
6
do inglˆes Return Loss
2. Fundamentos Te´oricos 29
2.5.2 Componentes de um Sistema de Microondas
Abaixo s˜ao descritos cada um dos componentes/m´odulos que ser˜ao utilizados no
sistema. Para mais detalhes sobre a constru¸c˜ao e os princ´ıpios funcionais dos compo-
nentes utilizados no sistema de microondas ver [23] e [25].
a) Antenas
As antenas s˜ao componentes que irradiam e captam ondas eletromagn´eticas.
Tratam-se de dispositivos rec´ıprocos, ou seja, uma mesma antena pode ser utilizada
para transmitir ou receber os sinais de microondas. As antenas s˜ao respons´aveis pela
transi¸c˜ao das ondas guiadas e confinadas `as guias-de-onda para o espa¸co livre e vice-
versa. Enquanto as guias-de-onda s˜ao projetadas para apresentarem o m´ınimo poss´ıvel
de perdas por irradia¸c˜ao, as antenas por sua vez s˜ao projetadas para irradiarem ao
m´aximo. As antenas podem ser classificadas de acordo com a sua geometria, com o
ganho, com sua direcionalidade e com a largura da sua banda.
Por se tratar de um componente com a apenas uma porta, ou conex˜ao, a impedˆancia
de entrada e o VSWR da antena podem ser descritos atrav´es do coeficiente de reflex˜ao
Γ
L
da antena, de acordo com a equa¸c˜ao 2.17, mostrada anteriormente. Uma antena
ideal deveria possuir V SW R = 1, ou seja, toda a potˆencia incidente P
in
´e transmi-
tida para a antena e n˜ao h´a perda por reflex˜ao. No entanto, para a maior parte das
aplica¸c˜oes um V SW R ≤ 2 ´e aceit´avel.
A largura de banda de uma antena
7
´e definida como uma faixa de freq¨uˆencias
para a qual o desempenho da antena est´a em conformidade com algum padr˜ao. Um
padr˜ao normalmente empregado ´e um V SW R ≤ 2, o qual implica numa reflex˜ao de
aproximadamente 11% da potˆencia incidente. Assim, a largura de banda da antena
(BW ) corresponderia `a faixa de freq¨uˆencias para o qual o V SW R da antena ´e menor
ou igual a 2.
A diretividade de uma antena D
max
´e uma medida comparativa das propriedades
direcionais de uma antena qualquer em rela¸c˜ao a uma antena isotr´opica, a qual possui,
por defini¸c˜ao, D
max
= 1. Uma antena isotr´opica ´e uma antena te´orica, que n˜ao pode ser
realizada na pr´atica, que irradia energia igualmente em todas as dire¸c˜oes. A eficiˆencia
η de uma antena ´e dada pela equa¸c˜ao
η =
P
rad
P
rad
+ P
loss
, (2.21)
7
do inglˆes bandwidth
2. Fundamentos Te´oricos 30
onde P
rad
´e a potˆencia efetivamente irradiada pela antena e P
loss
´e a diferen¸ca entre a
potˆencia incidente na antena P
in
e P
rad
.
O ganho G de uma antena ´e dado pelo produto da diretividade D
max
pela eficiˆencia
η da antena. De uma maneira geral, quanto mais concentrada no espa¸co for a regi˜ao
de irradia¸c˜ao da antena, maior ser´a o seu ganho. Na figura 2.7 s˜ao mostradas compa-
rativamente as distribui¸c˜oes espaciais da irradia¸c˜ao de trˆes tipo de antenas.
Figura 2.7: Tipos de antenas - compara¸c˜ao dos diagramas de radia¸c˜ao [6]
b) Divisores de Potˆencia, Acopladores e Acopladores H´ıbridos
Os Divisores de Potˆencia
8
, Acopladores
9
e os Acopladores H´ıbridos
10
s˜ao com-
ponentes utilizados para combinar ou dividir sinais. Um sinal incidente num desses
componentes pode ter sua potˆencia de incidˆencia divida em 2 ou mais p ortas. A
potˆencia nas portas de sa´ıdas pode ser igualmente divida, o que equivale a um fator
de acoplamento de 3dB, ou possuir outros valores para os fatores de acoplamento.
Al´em disso, o sinal numa das portas de sa´ıda pode ser defasado em rela¸c˜ao `as outras
portas, caracterizando um acoplador do tipo h´ıbrido (hybrid). Enquanto os compo-
nentes do tipo Acoplador e Acoplador H´ıbrido normalmente possuem 2 portas de sa´ıda,
podendo apresentar fatores de acoplamento diferentes de 3dB ou defasagem entre os
sinais das portas, os componentes do tipo Divisor de Potˆencia costumam apresentar
mais de 2 portas, todas com sinais idˆenticos. Estes tipos de componentes podem ser
utilizados, p or exemplo, em alimentadores de antenas, discriminadores de freq¨uˆencia,
8
do inglˆes Power Spliters
9
do inglˆes Couplers
10
do inglˆes Hybrids
2. Fundamentos Te´oricos 31
misturadores balanceados de sinais, moduladores, deslocadores de fase, detectores de
fase, entre outras aplica¸c˜oes.
c) Isoladores e Circuladores
Os isoladores e circuladores s˜ao componentes n˜ao rec´ıprocos. Isso implica que os
coeficientes de transmiss˜ao n˜ao s˜ao os mesmos para diferentes dire¸c˜oes de propaga¸c˜ao.
Um isolador normalmente apresenta uma baixa atenua¸c˜ao na transmiss˜ao de sinais da
porta 1 para a porta 2, mas no sentido inverso, ou seja, na transmiss˜ao de sinais da
porta 2 para a porta 1, este apresenta uma grande atenua¸c˜ao, conforme mostrado na
figura 2.8a. Normalmente este tipo de componente ´e utilizado na prote¸c˜ao de fontes
de energia como, por exemplo, osciladores e amplificadores, impedindo que a potˆencia
refletida devido a um descasamento de impedˆancias danifique o equipamento gerador,
conforme ilustrado na figura 2.8b. Dessa forma, o componente inserido anteriormente
a um isolador num sistema de gera¸c˜ao enxerga uma impedˆancia perfeitamente casada,
uma vez que n˜ao h´a reflex˜ao de energia. Na pr´atica, a inser¸c˜ao de um isolador num
sistema de microondas sempre ocasionar´a uma perda de potˆencia no sistema.
Figura 2.8: Isoladores (a)Funcionamento e (b)exemplo de Aplica¸c˜ao [6]
Os circuladores costumam apresentar 3 portas, conforme ilustrado na figura 2.9.
Para o circulador ilustrado na figura 2.9, um sinal incidente na porta 1 ´e acoplado `a
porta 2 somente, assim como um sinal que incida na porta 2 ´e somente acoplado `a porta
3, e um sinal incidente na porta 3 ´e somente acoplado `a porta 1. Os circuladores s˜ao
´uteis para o roteamento e separa¸c˜ao de sinais, por exemplo, em sistemas que utilizam
uma ´unica antena para a transmiss˜ao e recep¸c˜ao de sinais, conforme ilustrado na figura
2.9.
2. Fundamentos Te´oricos 32
Figura 2.9: Aplica¸c˜ao t´ıpica de um circulador [6]
d) Detectores e Misturadores
O detector ´e um componente que converte a intensidade de um sinal de microondas
numa tens˜ao DC. Tamb´em pode ser utilizado para demodular sinais de microondas,
reconstruindo sinais de baixa freq¨uˆencias. A detec¸c˜ao ´e obtida atrav´es da utiliza¸c˜ao
de componentes com caracter´ısticas n˜ao-lineares de I-V (corrente - tens˜ao) como, por
exemplo, jun¸c˜oes p-n e jun¸c˜oes do tipo Schottky-barrier. Na figura 2.10 s˜ao ilustrados
3 exemplos do funcionamento dos detectores.
Figura 2.10: Aplica¸c˜oes de detectores para (a)medir a intensidade de uma microonda,
(b)demodular um sinal pulsado e (c)demodular um sinal anal´ogico [6]
Os misturadores
11
s˜ao componentes utilizados para a convers˜ao de freq¨uˆencias.
Um mesmo componente pode ser utilizado tanto como upconverter ou downconverter.
11
do inglˆes mixers
2. Fundamentos Te´oricos 33
Os misturadores possuem 3 portas: LO (Local Oscilattor, ou freq¨uˆencia de referˆencia),
RF (sinal em alta freq¨uˆencia modulado) e IF (intermidiate-frequency signal . Quando
utilizados para modular um sinal em alta freq¨uˆencia (upconverter), o sinal presente
na porta RF (sa´ıda modulada) ´e resultado da multiplica¸c˜ao do sinal de IF com LO.
Quando utilizados na demodula¸c˜ao de um sinal de alta freq¨uˆencia, o sinal presente
em IF (sa´ıda demodulada) ´e resultado da multiplica¸c˜ao do sinal de RF por LO. As
duas poss´ıveis situa¸c˜oes s˜ao ilustradas na figura 2.11, na qual ´e dada ˆenfase para os
resultados no dom´ınio da freq¨uˆencia (subtra¸c˜ao e adi¸c˜ao). Na figura 2.12 ´e ilustrado o
funcionamento do misturador como um multiplicador de sinais no dom´ınio do tempo.
Figura 2.11: Aplica¸c˜oes de Misturadores [6]
Figura 2.12: Misturador como um multiplicador de sinais [6]
2. Fundamentos Te´oricos 34
e) Atenuadores, Interruptores e Deslocadores de Fase
Atenuadores, Interruptores
12
e Deslocadores de Fase
13
s˜ao componentes que pro-
porcionam um controle eletrˆonico sobre a atenua¸c˜ao e a fase de sinais de microondas.
Estes tipos de componentes podem ser constru´ıdos com ferrites ou dispositivos de
estado-s´olido (como didos p-i-n ou FETs) sendo que os componentes de estado-s´olido
costumam ser mais r´apidos, leves e baratos. Os interruptores s˜ao classificados de acordo
com o n´umero de p´olos que possuem, ou seja, o n´umero de portas de sa´ıda que possuem
(por exemplo: SPST, SPDT, SP3T). Teoricamente, os interruptores, quando ligados,
n˜ao deveriam inserir nenhuma atenua¸c˜ao no sinal. Bem como quando desligados n˜ao
deveriam permitir nenhuma transferˆencia de potˆencia. No entanto, os interruptores
reais acabam inserindo alguma perda ao sinal quando ligados e permitindo que uma
parcela pequena de potˆencia seja transferida quando desligados. Na figura 2.14 ´e mo-
strado um exemplo de aplica¸c˜ao de um interruptor.
Figura 2.13: Exemplo de aplica¸c˜ao de um interruptor [6]
Os interruptores tamb´em s˜ao utilizados na constru¸c˜ao de Deslocadores de Fase. O
atraso da fase ´e obtido for¸cando-se o sinal a percorrer um caminho de comprimento
diferente do caminho normal. A figura 2.14 ilustra o funcionamento de um Deslocador
de Fase.
Em componentes de estado s´olido, o chaveamento ´e obtido atrav´es da varia¸c˜ao da
impedˆancia do dispositivo. A varia¸c˜ao da impedˆancia ´e obtida atrav´es de diferentes
estados de polariza¸c˜ao. Alterando-se a polariza¸c˜ao continuamente pode-se obter n´ıveis
cont´ınuos de atenua¸c˜ao dos sinais. Este tipo de componente ´e conhecido como ate-
nuador control´avel (normalmente por uma tens˜ao anal´ogica), ou atenuador vari´avel, e
entre outras aplica¸c˜oes s˜ao utilizados no controle autom´atico de ganho em sistemas de
recep¸c˜ao e processamento de microondas.
12
do inglˆes switch
13
do inglˆes Phase-Shiffters
2. Fundamentos Te´oricos 35
Figura 2.14: Utiliza¸c˜ao de um interruptor na constru¸c˜ao de um deslocador de fase [6]
f) Osciladores e Amplificadores
Os osciladores e amplificadores s˜ao componentes ativos, sendo constitu´ıdos de algum
dispositivo de estado s´olido capaz de produzir resistˆencias negativas quando devida-
mente polarizado. Enquanto uma resistˆencia positiva dissipa a potˆencia de sinais de
microondas, introduzindo perdas, uma resistˆencia negativa ´e capaz de produzir sinais
eletromagn´eticos a partir de uma polariza¸c˜ao DC do dispositivo de estado-s´olido.
Os osciladores s˜ao utilizados como fontes de microondas em transmissores e como
osciladores locais (LO) em moduladores e demoduladores (upconverters e downcon-
verters). Dependendo da forma que s˜ao constru´ıdos, a freq¨uˆencia de oscila¸c˜ao pode
ser variada continuamente, normalmente atrav´es de uma tens˜ao, caracterizando um
oscilador controlado por tens˜ao, ou simplesmente um VCO. Alguns dos parˆametros
mais importantes na caracteriza¸c˜ao dos osciladores s˜ao: potˆencia de sa´ıda, a DC-to-RF
efficiency, a rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo, a estabilidade e a faixa de varia¸c˜ao da freq¨uˆencia.
O amplificador ´e um dispositivo que proporciona um ganho na potˆencia do sinal
nele incidente. Um amplificador pode ser cascateado com outros amplificadores de
modo a se obter um ganho maior. Os amplificadores que s˜ao utilizados no ´ultimo
est´agio de um transmissor, de maneira a proporcionar uma alta potˆencia de sa´ıda, s˜ao
chamados de Amplificadores de Potˆencia. Os amplificadores utilizados na recep¸c˜ao
de sinais normalmente possuem uma boa rela¸c˜ao de sinal-ru´ıdo, sendo chamados de
LNA (Low-Noise Amplifier). Alguns parˆametros importantes para um amplificador
s˜ao: o ganho, a rela¸c˜ao sinal-ru´ıdo, a largura de banda e a estabilidade. Um bom
amplificador n˜ao deve apresentar oscila¸c˜oes na sua banda de opera¸c˜ao. A estabilidade
do amplificador ´e a sua resistˆencia `a oscila¸c˜ao.
2. Fundamentos Te´oricos 36
2.6 Tipos de Medidores de Microondas
Um meio pode afetar as microondas que nele se propagam de diversas formas. A
maneira como o meio vai afetar as microondas depende das constantes de permeabili-
dade e permissividade desse, as quais, por sua vez, dependem de outras propriedades
f´ısicas do meio. O conhecimento da natureza da dependˆencia de
r
e µ
r
das demais pro-
priedades f´ısicas do meio nos permite inferir sobre as propriedades do meio atrav´es da
medi¸c˜ao destas constantes diel´etricas. A medi¸c˜ao das constantes diel´etricas do meio,
por sua vez, pode ser realizada com base no estudo da maneira como o meio afeta
um sinal de microondas, cujos parˆametros sejam inicialmente conhecidos. O tipo de
medidor, ou t´ecnica de medi¸c˜ao, de microondas utilizado depende do parˆametro de
propaga¸c˜ao que se deseja medir. Al´em disso, o tipo do medidor de microondas e a
maneira mais adequada de se medir um dado parˆametro dependem das caracter´ısticas
do meio. Os medidores de microondas podem ser classificados em 5 categorias [9][20],
as quais ser˜ao sucintamente abordadas na se¸c˜oes subseq¨uentes, e em sensores especiais
para aplica¸c˜oes espec´ıficas.
2.6.1 Sensores de Transmiss˜ao
Esta ´e a concep¸c˜ao mais direta e simples para um medidor de microondas. Neste
tipo de medidor s˜ao utilizados um transmissor, um receptor e um par de antenas,
normalmente do tipo corneta (horn). As duas antenas costumam ser instaladas de
maneira que o material a ser medido, ou MUT, fique entre elas, conforme mostrado na
figura 2.15. O medidor mostrado na figura 2.15 tamb´em ´e conhecido como Free-Space
Transmission Sensor. Nesse arranjo, a permissividade do meio afeta tanto a amplitude
como a fase da onda que se propaga atrav´es deste.
A principal vantagem deste tipo de medidor ´e a sua simplicidade. A principal des-
vantagem ´e a sensibilidade deste tipo de medidor `as reflex˜oes no interior do sistema. As
reflex˜oes afetam diretamente a precis˜ao na medi¸c˜ao da atenua¸c˜ao. Se a se¸c˜ao transver-
sal do MUT ´e superior a λ/4 e a atenua¸c˜ao do meio ´e pequena, as m´ultiplas reflex˜oes
internas v˜ao provocar o aparecimento de ondas estacion´arias entre as superf´ıcies do
MUT, adicionando uma varia¸c˜ao peri´odica `a atenua¸c˜ao medida [9].
Por outro lado, a medi¸c˜ao da fase ´e muito menos afetada pelas m´ultiplas reflex˜oes
e pelas ondas estacion´arias do que a medi¸c˜ao da atenua¸c˜ao. A fase ´e medida com
a utiliza¸c˜ao de um Misturador. Para tal, se faz necess´aria a utiliza¸c˜ao de um sinal
de referˆencia, idˆentico ao sinal transmitido, mas que n˜ao seja afetado pelo meio. A
medida do atraso de fase corresponde a uma tens˜ao DC na porta IF (ver se¸c˜ao 2.5.2)
do Misturador. Isto se deve ao fato de se obter, como resultado da multiplica¸c˜ao de
2. Fundamentos Te´oricos 37
Figura 2.15: Sensor de Transmiss˜ao [9]
duas ondas idˆenticas, por´em defasadas, um sinal DC proporcional ao defasamento das
ondas.
No entanto, a medi¸c˜ao da fase est´a sujeita ao problema da ambig¨uidade da fase [26].
Este problema est´a associado ao fato de que a medi¸c˜ao do ˆangulo da fase s´o ´e poss´ıvel
para valores entre −180
◦
e +180
◦
. Caso a se¸c˜ao transversal do material a ser medido
seja maior que o comprimento de onda no material, o problema da ambig¨uidade de
fase pode aparecer. Uma maneira de se eliminar o problema da ambig¨uidade de fase ´e
realizar a medi¸c˜ao do atraso de fase em duas freq¨uˆencias distintas. Para mais detalhes
sobre esta t´ecnica de medi¸c˜ao ver [26].
Outra maneira de realizar a medi¸c˜ao das constantes diel´etricas do material, evitando
os problemas das m´ultiplas reflex˜oes, das ondas estacion´arias e da ambig¨uidade de fase,
´e atrav´es da utiliza¸c˜ao da t´ecnica de FMCW (Frequency-Modulated Continuous Wave
[20]. Esta t´ecnica, normalmente utilizada em sistemas de radar, mede na verdade o
atraso no tempo sofrido pelo sinal ao atravessar o meio. A t´ecnica consiste em realizar
uma varia¸c˜ao cont´ınua e linear da freq¨uˆencia de transmiss˜ao do sistema. Na pr´atica
isto equivale a realizar uma modula¸c˜ao em freq¨uˆencia (FM) do sinal a ser transmitido.
O sinal recebido ´e ent˜ao multiplicado pelo sinal original. Devido ao atraso temporal
sofrido pelo sinal recebido, o resultado da multiplica¸c˜ao dos dois sinais produz um
sinal anal´ogico, em baixa freq¨uˆencia, com uma freq¨uˆencia de batimento na porta IF do
Misturador utilizado para a multiplica¸c˜ao dos sinais. A freq¨uˆencia de batimento est´a
diretamente relacionada ao atraso sofrido pelo sinal. O m´etodo de FMCW ´e ilustrado
na figura 2.17. Para mais detalhes sobre este m´etodo, ver [6].
Al´em dos problemas j´a citados na utiliza¸c˜ao desse m´etodo de inferˆencia, existem
alguns outros inconvenientes que precisam ser levados em considera¸c˜ao. A medi¸c˜ao
direta tanto da atenua¸c˜ao quanto da fase ´e afetada diretamente pela n˜ao-linearidade e
2. Fundamentos Te´oricos 38
Figura 2.16: M´etodo de FMCW [6]
pela sensibilidade dos detectores de fase e de intensidade. A principal causa de erros
e varia¸c˜oes nesse tipo de medi¸c˜ao ´e a temperatura do meio, a qual afeta diretamente
sua constante diel´etrica. Isto implica na necessidade de que se utilize algum tipo
de compensa¸c˜ao de temperatura no sistema de medi¸c˜ao. Uma outra alternativa ao
problema da sensibilidade deste tipo de m´etodo ´e atrav´es da medi¸c˜ao freq¨uente de
um padr˜ao conhecido. Atrav´es dos desvios na medi¸c˜ao do padr˜ao, podem-se corrigir
os valores da medi¸c˜ao de interesse. Na figura 2.17 ´e ilustrado a configura¸c˜ao de um
sistema de medi¸c˜ao de atenua¸c˜ao e atraso de fase utilizando-se um medidor tipo sensor
de transmiss˜ao. As linhas tracejadas indicam algumas alternativas, j´a citadas, para a
compensa¸c˜ao dos erros inerentes a essa concep¸c˜ao de medidor.
Outro m´etodo comumente empregado na melhoria do desempenho deste tipo de sen-
sor ´e o m´etodo da medi¸c˜ao balanceada
14
[9]. Este m´etodo de medi¸c˜ao utiliza-se de ele-
mentos control´aveis, como atenuadores control´aveis e deslocadores de fase control´aveis,
14
tradu¸c˜ao do inglˆes: Balancing Method
2. Fundamentos Te´oricos 39
Figura 2.17: Sistema para medi¸c˜ao da atenua¸c˜ao e da fase [9]
para manter os n´ıveis dos sinais incidentes nos detectores dentro de uma determinada
faixa, reduzindo a influˆencia da n˜ao-linearidade e da reduzida faixa dinˆamica de alguns
dos sensores. Trata-se, na verdade, de um m´etodo de inferˆencia em malha-fechada,
no qual a principal informa¸c˜ao sobre as caracter´ısticas diel´etricas do meio prov´em do
esfor¸co de controle necess´ario para se manter as medi¸c˜oes do sistema numa dada re-
ferˆencia. A utiliza¸c˜ao desse m´etodo permite que os detectores do sistema operem no
ponto ´otimo de sua faixa dinˆamica, maximizando assim parˆametros metrol´ogicos do
sistema.
2.6.2 Sensores de Ressonˆancia
Para se medir o fenˆomeno da ressonˆancia de uma microonda ´e necess´ario primeiro
criar condi¸c˜oes para que tal fenˆomeno apare¸ca. Para tal, s˜ao normalmente utilizadas
cavidades ressonantes. Uma cavidade ressonante pode ser descrita como sendo uma
linha de transmiss˜ao limitada por descontinuidades de impedˆancia em ambos os lados
[9]. Al´em da cavidade ressonante, o fenˆomeno da ressonˆancia requer que um campo
eletromagn´etico seja criado dentro da cavidade. As microondas precisam ser geradas
atrav´es de um circuito externo e ent˜ao, atrav´es de uma abertura ou antena, irradia-
das no interior da cavidade. As descontinuidades de impedˆancia fazem com que a
microonda que se propaga seja refletida diversas vezes. O fenˆomeno de ressonˆancia s´o
ocorre em freq¨uˆencias espec´ıficas e requer que a condi¸c˜ao de ressonˆancia seja satisfeita.
A condi¸c˜ao de ressonˆancia, dada pela equa¸c˜ao 2.22, ´e satisfeita quando a rela¸c˜ao entre
o comprimento da onda e as dimens˜oes da cavidade assume determinados valores.
2π
λ
2l + φ
1
+ φ
2
= n · 2π, (2.22)
2. Fundamentos Te´oricos 40
onde l ´e comprimento da cavidade (ou linha de transmiss˜ao), φ
1
e φ
2
s˜ao os ˆangulos de
fase dos coeficientes de reflex˜ao das extremidades da cavidade, e n ´e um inteiro.
A condi¸c˜ao de ressonˆancia acima descrita vale para uma cavidade ressonante va-
zia. Caso a cavidade seja preenchida com algum material diel´etrico, a freq ¨uˆencia de
ressonˆancia ocorrer´a numa freq¨uˆencia inferior, uma vez que o comprimento de onda
depende da constante diel´etrica do meio. Para os casos em que
r
r
o comprimento
de onda pode ser expresso em fun¸c˜ao da permissividade el´etrica atrav´es da equa¸c˜ao [9]:
λ =
λ
0
Re{
√
r
}
. (2.23)
A permissividade el´etrica pode ser ent˜ao calculada de forma aproximada em fun¸c˜ao
da freq¨uˆencia de ressonˆancia da cavidade vazia e da freq¨uˆencia de ressonˆancia preen-
chida com um dado material diel´etrico. Para os casos em que
r
r
a permissividade
el´etrica do meio pode ser aproximada pela equa¸c˜ao 2.24.
r
≈ (
f
r0
f
r
)
2
, (2.24)
onde f
r0
´e a freq¨uˆencia de ressonˆancia da cavidade vazia e f
r
´e a freq¨uˆencia de res-
sonˆancia obtida na presen¸ca de um determinado MUT.
Para a medi¸c˜ao da constante diel´etrica do meio atrav´es de um medidor de res-
sonˆancia, ´e necess´ario primeiro induzir um campo eletromagn´etico dentro da cavidade.
A varia¸c˜ao da freq¨uˆencia das ondas irradiadas na cavidade, dentro de uma faixa deter-
minada, permitir´a a ocorrˆencia do fenˆomeno de ressonˆancia. A detec¸c˜ao do fenˆomeno
de ressonˆancia f
r
pode ser realizada atrav´es da medi¸c˜ao da atenua¸c˜ao ou da fase, ou
ambas, utilizando-se 2 t´ecnicas [20]: atrav´es da medi¸c˜ao do coeficiente de reflex˜ao na
linha utilizada para transmitir o sinal de microondas para a cavidade (ver figura 2.19),
ou atrav´es da medi¸c˜ao do coeficiente de transmiss˜ao, com a utiliza¸c˜ao de um receptor
independente dentro a cavidade (ver figura 2.20). Nas figuras 2.18 e 2.19 s˜ao mostra-
dos os comportamentos esperados de fase e amplitude para uma faixa de freq¨uˆencias
pr´oxima na vizinhan¸ca de f
r
para as t´ecnicas de coeficiente de reflex˜ao e de coeficiente
de transmiss˜ao, respectivamente.
Os medidores de cavidade de ressonˆancia j´a foram muito estudados por [9] e [20]. E
n˜ao ser˜ao aqui abordados em mais detalhes pois fogem do escopo do presente trabalho.
2. Fundamentos Te´oricos 41
Figura 2.18: Gr´afico da fase e magnitude num medidor de coeficiente de reflex˜ao com
f
r
= 1.5GHz [20]
2.6.3 Sensores de Reflex˜ao
Os sensores de reflex˜ao medem as caracter´ısticas do sinal refletido por um objeto,
atrav´es da transmiss˜ao de um sinal conhecido. Os sensores de reflex˜ao podem ser
classificados em sensores de contato ou sensores de espa¸co livre, quando utilizados
para medir as propriedades diel´etricas dos materiais, ou ainda como sensores de radar,
quando utilizados na medi¸c˜ao da distˆancia e velocidade de objetos. Na ind´ustria de
petr´oleo e g´as, este tipo de sensor ´e utilizado na medi¸c˜ao de n´ıvel em tanques [27],
ver figura 2.20, e em alguns casos na medi¸c˜ao de parˆametros de escoamento, conforme
ilustrado na figura 2.21.
Os sensores de contato utilizam linhas de transmiss˜ao ou guias-de-onda abertas
numa das extremidades.
´
E esta extremidade aberta que deve ser colocada em contato
com o objeto ou meio do qual se deseja medir as propriedades diel´etricas. O coeficiente
de reflex˜ao da extremidade aberta Γ tem suas caracter´ısticas de fase e amplitude afe-
tadas p ela constante diel´etrica
r
do meio. Os sensores de espa¸co livre funcionam de
maneira similar, no entanto enquanto nos sensores de contato as linhas de transmiss˜ao
s˜ao colo cadas em contato com o objeto, nos sensores de espa¸co livre s˜ao utilizadas
antenas para a transmiss˜ao e recep¸c˜ao do sinal refletido. Ambos os m´etodos permitem
a inferˆencia sobre o coeficiente de reflex˜ao Γ complexo do meio e sobre sua permissivi-
dade.
2. Fundamentos Te´oricos 42
Figura 2.19: Gr´afico da fase e magnitude num medidor de coeficiente de transmiss˜ao
com f
r
= 1.5GHz [20]
Figura 2.20: Sensor de ressonˆancia utilizado na medi¸c˜ao de n´ıvel de um tanque de ´oleo
de um navio [9]
Os sensores do tipo radar, ao contr´ario dos demais tipos de sensores at´e agora
discutidos, n˜ao s˜ao utilizados na medi¸c˜ao das propriedades dos materiais e sim na
medi¸c˜ao de distˆancia, movimento, vibra¸c˜oes, interfaces, entre outros. De acordo com
o princ´ıpio de funcionamento os radares podem ser classificados em: radar de pulso,
radar de impulso, radar FMCW (Frequency Modulated Continuou Wave) e radares de
efeito Doppler.
O tipo de radar mais simples ´e o radar de pulso. Nesse tipo de radar, a onda
portadora ´e transmitida apenas por um pequeno intervalo de tempo com a utiliza¸c˜ao
2. Fundamentos Te´oricos 43
Figura 2.21: Princ´ıpio de funcionamento de um medidor de parˆametros de escoamento
utilizando um sensor de reflex˜ao [9]
de um interruptor (switch), conforme ilustrado na figura 2.22. Sendo a velocidade de
propaga¸c˜ao c conhecida, com base no tempo que a onda refletida demora para retornar
ao sistema, ´e poss´ıvel calcular a distˆancia do objeto, conforme a equa¸c˜ao
τ =
2l
c
, (2.25)
onde l ´e a distˆancia do objeto e c ´e a velocidade de propaga¸c˜ao da onda no meio.
Quanto menor o tamanho do pulso, maior a resolu¸c˜ao do sistema. Quando se
deseja maximizar a resolu¸c˜ao do sistema e a m´axima distˆancia do objeto a ser medido
´e pequena, utiliza-se o radar de impulso. Neste tipo de radar o pulso transmitido ´e
reduzido ao m´aximo.
´
E importante ressaltar que quanto menor o pulso, maior ´e a
banda necess´aria e pior ´e a imunidade aos ru´ıdos.
O radar de efeito Doppler ´e normalmente utilizado na medi¸c˜ao da velocidade de
um objeto. Isto se deve ao fenˆomeno f´ısico conhecido como efeito Doppler. O efeito
Doppler ´e caracterizado pela altera¸c˜ao da freq¨uˆencia do sinal recebido em rela¸c˜ao ao
sinal transmitido. Tal fenˆomeno ocorre quando o objeto sob an´alise est´a em movimento
em rela¸c˜ao ao sistema de medi¸c˜ao. Nesse tipo de radar um sinal de freq¨uˆencia constante
´e continuamente transmitido. O desvio de freq¨uˆencia (f
d
) do sinal refletido pode ser
calculado com a utiliza¸c˜ao de um misturador (mixer) e se relaciona com a velocidade
do objeto sob an´alise atrav´es da equa¸c˜ao
f
d
=
2v
r
c
× f
0
, (2.26)
onde v
r
´e a velocidade relativa do objeto, c ´e a velocidade de propaga¸c˜ao da onda no
meio e f
0
´e a freq¨uˆencia do sinal transmitido.
No radar de FMCW a freq¨uˆencia do sinal transmitido ´e continuamente variada,
2. Fundamentos Te´oricos 44
Figura 2.22: Princ´ıpio de funcionamento de um radar de pulso [6]
com a utiliza¸c˜ao de um VCO, para cima e para baixo entre duas freq¨uˆencias f
1
e
f
2
, conforme mostrado na figura 2.23. A freq¨uˆencia do sinal recebido ser´a, portanto,
diferente da freq¨uˆencia do sinal sendo transmitido. A diferen¸ca entre as freq¨uˆencias
(f
IF
) transmitida e recebida pode ser ent˜ao calculada atrav´es da utiliza¸c˜ao de um
misturador (mixer), sendo dada pela equa¸c˜ao
f
IF
= τ
f
2
− f
1
T
, (2.27)
onde τ ´e o tempo de propaga¸c˜ao da onda desde o momento que foi transmitida at´e o
momento de sua recep¸c˜ao, e T ´e o per´ıodo da onda modulada.
O radar tipo FMCW pode ser utilizado tanto na determina¸c˜ao da distˆancia quanto
da velocidade do objeto. Caso o objeto esteja em movimento, relativamente ao sistema
de medi¸c˜ao, haver´a um deslocamento na freq¨uˆencia recebida pelo sistema. Para mais
detalhes ver [6].
2. Fundamentos Te´oricos 45
Figura 2.23: Princ´ıpio de funcionamento de um radar de FMCW [9]
2.6.4 Sensores Radiom´etricos
Os radiˆometros, como s˜ao chamados, medem a intensidade da radia¸c˜ao t´ermica de
corpo negro
15
irradiada por um objeto. Essa radia¸c˜ao ´e a mesma que objetos quentes
emitem nas freq¨uˆencias da luz vis´ıvel quando se tornam incandescentes. Para a faixa
das microondas, a intensidade da irradia¸c˜ao ´e diretamente proporcional `a temperatura
do objeto, sendo no entanto dependente da sua constante de emissividade. A constante
de emissividade do objeto est´a relacionada `as propriedades diel´etricas e dimensionais da
superf´ıcie e a sua capacidade de refletir e absorver ondas eletromagn´eticas. Um corpo
negro ideal possui emissividade igual a 1. Toda a sua radia¸c˜ao t´ermica ´e irradiada
atrav´es da sua superf´ıcie, assim como esse absorve toda radia¸c˜ao (e conseq¨uentemente
luz) nele incidente. Na pr´atica, os objetos possuem emissividade menor que 1 e portanto
uma parte da sua radia¸c˜ao t´ermica ´e refletida e n˜ao consegue transpor a superf´ıcie do
objeto. Na figura 2.24 ´e ilustrado o princ´ıpio de funcionamento de um radiˆometro.
O radiˆometro de microondas ´e um sensor, suficientemente sens´ıvel, capaz de de-
tectar a radia¸c˜ao t´ermica de corpo negro de um objeto na faixa das microondas. Os
radiˆometros s˜ao considerados passivos pois eles apenas captam as radia¸c˜oes t´ermicas
emitidas por um objeto. Esse tipo de sensor ´e amplamente empregado no monitora-
mento da superf´ıcie terrestre por sat´elites e avi˜oes. Dentre algumas das aplica¸c˜oes de
monitoramento da superf´ıcie terrestre, podemos citar: o monitoramento de incˆendios
florestais, o monitoramento da camada de gelo polar e o monitoramento de vazamentos
de ´oleo nos oceanos. Na ind´ustria s˜ao utilizados na medi¸c˜ao remota da temperatura de
processos, onde devido `as altas temperaturas, ou ainda outros fatores, n˜ao ´e poss´ıvel a
utiliza¸c˜ao de sensores de contato ou de infravermelho. Tamb´em s˜ao citadas na litera-
15
do inglˆes black-body radiation
2. Fundamentos Te´oricos 46
Figura 2.24: Princ´ıpio de funcionamento de um radiˆometro, onde T
p
´e a temp eratura
do objeto, T
b
´e a temperatura de brilho e η ´e a emissividade [9]
tura aplica¸c˜oes desse tipo de sensor na medicina [9].
2.6.5 Sensores Tomogr´aficos
A intera¸c˜ao das microondas com os materiais tamb´em pode ser utilizada na
produ¸c˜ao de imagens do interior de um objeto ou de um meio. Essa t´ecnica de medi¸c˜ao
´e amplamente empregada na medicina, com a utiliza¸c˜ao de sensores de raios-X e de
ressonˆancia magn´etica para a visualiza¸c˜ao do interior do paciente. A tomografia uti-
lizando microondas ´e realizada atrav´es da utiliza¸c˜ao de um arranjo de sensores
16
que
captam sinais de microondas que foram transmitidos atrav´es do objeto, ou meio, em
diferentes posi¸c˜oes, conforme mostrado na figura 2.25. A distribui¸c˜ao geom´etrica dos
sensores varia de acordo com a aplica¸c˜ao. Quando utilizados na medi¸c˜ao de parˆametros
de escoamento em tubos (aplica¸c˜ao t´ıpica na ind´ustria de petr´oleo e g´as) s˜ao normal-
mente dispostos radialmente ao redor do tubo.
Os sensores utilizados na constru¸c˜ao de um tom´ografo s˜ao praticamente os mes-
mos utilizados num sensor de transmiss˜ao de espa¸co livre. Assim como num sensor
de transmiss˜ao, os sensores do tom´ografo medem a atenua¸c˜ao e o atraso de fase do si-
nal. No entanto, em vez de utilizar um ´unico sensor, na tomografia de micro ondas s˜ao
16
do inglˆes array of receivers
2. Fundamentos Te´oricos 47
Figura 2.25: Princ´ıpio de funcionamento de tom´ografo de microondas [9]
utilizados v´arios sensores. A reconstru¸c˜ao da imagem com base nos dados adquiridos
pelos diversos sensores requer v´arios c´alculos e demanda um processamento computa-
cional significativo, sendo essa uma das principais limita¸c˜oes desse tipo de sensor. Na
ind´ustria de petr´oleo e g´as, este tipo de sensor ´e utilizado na determina¸c˜ao do tipo de
um escoamento multif´asico [20].
2.7 Conclus˜oes
No presente cap´ıtulo foi apresentada uma breve introdu¸c˜ao ao eletromagnetismo. As
microondas foram caracterizadas como ondas eletromagn´eticas. Os fenˆomenos decor-
rentes da intera¸c˜ao das ondas eletromagn´eticas, e mais especificamente as microondas,
com os materiais foram apresentados, ainda que em car´ater introdut´orio. As peculiari-
dades diel´etricas da ´agua foram descritas, caracterizando as vantagens da utiliza¸c˜ao dos
sensores de micro ondas para a medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua. Os componentes utilizados
na constru¸c˜ao de um sistema el´etrico de gera¸c˜ao e processamento de microondas foram
apresentados, bem como os principais parˆametros utilizados na especifica¸c˜ao desses
componentes. Foram apresentados os tipos de sensores de microondas existentes e
suas principais aplica¸c˜oes. Os princ´ıpios de constru¸c˜ao de tais sensores tamb´em foram
abordados.
No pr´oximo cap´ıtulo ser´a apresentado o sistema experimental desenvolvido no pre-
sente trabalho. O sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas utilizado na ban-
cada experimental ser´a descrito em detalhes, bem como o sistema digital de controle e
aquisi¸c˜ao que permite a utiliza¸c˜ao da bancada experimental de testes.
Cap´ıtulo 3
Sistema Experimental Desenvolvido
No presente cap´ıtulo ´e apresentado o m´etodo desenvolvido. Trata-se de uma ban-
cada de medi¸c˜ao e testes constru´ıda para avaliar a viabilidade dos sensores de microon-
das na medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua. N˜ao s´o as t´ecnicas ser˜ao avaliadas, mas tamb´em
toda a concep¸c˜ao do sistema de medi¸c˜ao. O sistema experimental foi desenvolvido para
permitir a realiza¸c˜ao de testes est´aticos com uma mistura bif´asica de ´agua e ´oleo. Os
testes s˜ao est´aticos pois n˜ao h´a vaz˜ao. Nos ensaios est´aticos s˜ao utilizados tanques, com
dimens˜oes semelhantes a uma tubula¸c˜ao de produ¸c˜ao, os quais s˜ao enchidos com uma
composi¸c˜ao que reproduz as propriedades f´ısicas, relevantes para o presente trabalho,
encontradas num escoamento real.
Os sub-sistemas que comp˜oem a bancada de testes e o medidor propriamente dito
foram projetados segundo requisitos de um medidor industrial. Dessa forma, ap´os
verificada a efic´acia de um determinado tipo de sensor, e determinados os parˆametros
ideais para a medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua, toda a infra-estrutura utilizada na bancada
pode ser utilizada no desenvolvimento do prot´otipo de um medidor industrial de fra¸c˜ao
de ´agua. Podemos citar alguns requisitos indispens´aveis para medidores industriais:
• comunica¸c˜ao em rede;
• fonte de alimenta¸c˜ao dedicada, robusta e confi´avel;
• funcionamento autom´atico;
• interface de configura¸c˜ao e parametriza¸c˜ao dedicada e espec´ıfica;
• mecanismos de auto-diagn´ostico e sinaliza¸c˜ao de falhas;
• acondicionamento adequado `as condi¸c˜oes operacionais.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 49
A solu¸c˜ao adotada pode ser subdividida em 8 sistemas, que juntos comp˜oem o
sistema experimental e a bancada de testes utilizada nos ensaios. Os subsistemas que
comp˜oem a solu¸c˜ao implementada s˜ao abaixo listados:
• sistema de gera¸c˜ao e processamento de sinais de microondas;
• sistema digital de controle e aquisi¸c˜ao de dados;
• sistema de comunica¸c˜ao embarcada;
• sistema de alimenta¸c˜ao el´etrica dos sistemas eletrˆonicos e de microondas;
• sistema computacional do Concentrador de Dados;
• sistema computacional de interface com o usu´ario;
• sistema de medi¸c˜oes auxiliares;
• sistema de suporte aos ensaios.
Na figura 3.1 ´e mostrada a arquitetura do sistema desenvolvido, onde se destacam
os diferentes sub-sistemas. Estes subsistemas ser˜ao descritos nas pr´oximas se¸c˜oes.
3.1 Sistema de Gera¸c˜ao e Processamento de Mi-
croondas
Para o projeto do sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas foi selecionada
a freq¨uˆencia central e banda de opera¸c˜ao do medidor. Durante a revis˜ao bibliogr´afica,
verificou-se que a freq¨uˆencia mais comumente utilizada nesse tipo de medidor ´e de
2,4GHz. No entanto, conforme apresentado no cap´ıtulo 2 (2.5), na presen¸ca de sais, a
atenua¸c˜ao da ´agua, para sinais dessa freq¨uˆencia, ´e muita alta. A freq¨uˆencia escolhida
para o medidor foi de 10GHz. Nessa freq¨uˆencia, as perdas diel´etricas da ´agua s˜ao
maiores do que na freq¨uˆencia de 2,4GHz. No entanto, a presen¸ca de sais na ´agua in-
fluencia muito pouco as perdas diel´etricas do meio para sinais da freq¨uˆencia de 10GHz.
A maior atenua¸c˜ao da ´agua para a freq ¨uˆencia escolhida pode ser vista como um ponto
positivo uma vez que, em teoria, quanto maior a atenua¸c˜ao, maior a sensibilidade do
instrumento de medi¸c˜ao de fra¸c˜ao de ´agua. Apesar disso, podemos apontar como uma
desvantagem da maior atenua¸c˜ao do sinal a necessidade da transmiss˜ao de um sinal
de maior potˆencia. Tamb´em ´e importante ressaltar que quanto maior a freq¨uˆencia de
opera¸c˜ao, mais caros s˜ao os equipamentos necess´arios. O comportamento do sistema
3. Sistema Experimental Desenvolvido 50
Figura 3.1: Arquitetura do sistema de ensaios com microondas
3. Sistema Experimental Desenvolvido 51
de medi¸c˜ao na presen¸ca de sais ´e um parˆametro importante no projeto de um medi-
dor de fra¸c˜ao de ´agua para a ind´ustria de petr´oleo e g´as, uma vez que uma parcela
significativa dos po¸cos de produ¸c˜ao encontram-se abaixo do leito oceˆanico.
Para o problema da determina¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua numa mistura bif´asica de ´oleo
e ´agua, o tipo de sensor de microondas mais utilizado e adequado, segundo diversos
autores [9][20][3], ´e o sensor de ressonˆancia. No entanto, optamos pelos sensores de
transmiss˜ao como objeto de estudo do presente trabalho. A op¸c˜ao pelos sensores de
transmiss˜ao deve-se ao fato de ser este o tipo mais simples de sensor para a aplica¸c˜ao em
quest˜ao. Tamb´em podemos ressaltar o fato de que o sistema de gera¸c˜ao e processamento
de microondas utilizado nesse tipo de sensor ´e muito similar ao sistema utilizado em
sensores de ressonˆancia, mudando apenas a t´ecnica de inferˆencia de um para o outro.
Uma vez validado o sistema de gera¸c˜ao e transmiss˜ao de microondas para sensores de
transmiss˜ao, o desenvolvimento de um sensor de ressonˆancia se caracteriza como uma
melhoria natural para o sistema. O sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas
´e formado pelos seguintes componentes:
• Antenas tipo Corneta: optou-se por antenas desse tipo devido ao alto ganho,
ou diretividade, destas.
´
E prov´avel que numa etapa futura de desenvolvimento
estas antenas sejam substitu´ıdas por antenas de outro tipo, mais compactas. S˜ao
utilizadas duas antenas: uma dedicada `a transmiss˜ao de sinais e outra somente
para a recep¸c˜ao. As antenas utilizadas tem ganhos de 10dBi e 20dBi.
• VCO: a utiliza¸c˜ao de um oscilador control´avel deve-se ao fato de este permitir a
realiza¸c˜ao de ensaios numa faixa de freq¨uˆencias em torno da freq¨uˆencia central.
Al´em disso, o VCO ´e um componente indispens´avel na realiza¸c˜ao de determinados
tipos de ensaios e na constru¸c˜ao de diversos tipos de sensores. A freq¨uˆencia de
oscila¸c˜ao do VCO utilizado pode ser variada de 8GHz a 12GHz.
• Interruptor: quando ligado, o interruptor insere uma atenua¸c˜ao m´ınima de
60dB no sinal transmitido. Na pr´atica isso equivale a desligar o sistema de
transmiss˜ao. Da maneira como foi projetado o sistema, a utiliza¸c˜ao do interruptor
permite que a transmiss˜ao de microondas s´o ocorra quando uma medi¸c˜ao for
necess´aria, evitando assim a transmiss˜ao cont´ınua de sinais de microondas.
• Divisor de Potˆencia: este componente passivo permite a ”divis˜ao”de um sinal
em dois sinais idˆenticos, em fase, mas com metade da potˆencia do sinal original.
S˜ao utilizados dois divisores de potˆencia no sistema. Um divisor ´e utilizado na
replica¸c˜ao da onda gerada pelo VCO, a qual serve de referˆencia para o c´alculo
do atraso de fase devido `a propaga¸c˜ao da onda pelo meio diel´etrico. O segundo
divisor permite que o sinal recebido pela antena de recep¸c˜ao tenha sua intensidade
e atraso de fase medidos.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 52
• Amplificador de Potˆencia: o amplificador de potˆencia ´e o ´ultimo elemento do
sistema antes da transmiss˜ao do sinal. A potˆencia de sa´ıda m´axima do amplifi-
cador selecionado ´e de 30dBm, ou 1000 mW.
• Atenuador Controlado por Tens˜ao: este componente ´e utilizado pois permite
o ajuste cont´ınuo do n´ıvel do sinal recebido. O ajuste cont´ınuo do sinal permite
que a intensidade do sinal incidente na porta RF do misturador seja mantida
constante, otimizando o funcionamento do misturador e, conseq¨uentemente, a
medi¸c˜ao do atraso de fase. Esse procedimento tamb´em mant´em constante a
intensidade do sinal incidente no detector, impedindo que este sature. A medi¸c˜ao
da intensidade do sinal recebido ´e feita indiretamente atrav´es do conhecimento
do sinal de controle utilizado no atenuador control´avel. O controle da atenua¸c˜ao
´e linear e feito por uma tens˜ao anal´ogica.
• Misturador: o misturador ´e um componente passivo utilizado no sistema para
a medi¸c˜ao do atraso de fase.
• Detector: o detector permite a medi¸c˜ao da intensidade do sinal no sistema. Em
compara¸c˜ao aos detectores passivos, os detectores ativos proporcionam sinais de
medi¸c˜ao de maior n´ıvel, devido a um circuito interno de amplifica¸c˜ao.
As especifica¸c˜oes t´ecnicas dos componentes acima listados encontram-se no
Apˆendice A. Na figura 3.2 ´e mostrado o diagrama de blocos do sistema de gera¸c˜ao
e transmiss˜ao de microondas. Os componentes de microondas s˜ao conectados atrav´es
de cabos coaxiais flex´ıveis, espec´ıficas para a freq¨uˆencia de opera¸c˜ao do sistema. Todas
as guias de onda utilizadas possuem conectores SMA-fˆemea em ambas as extremidades.
A montagem dos componentes foi realizada sobre uma placa de acr´ılico, conforme pode
ser visto figura 3.3. A placa de acr´ılico foi escolhida por se tratar de um material n˜ao
condutor. A preocupa¸c˜ao inicial com a montagem do sistema de microondas sobre uma
superf´ıcie n˜ao condutora mostrou-se desnecess´aria, uma vez que posteriormente verifi-
camos que todas as carca¸cas dos componentes s˜ao aterradas. Tamb´em foi constatado,
posteriormente, durante a realiza¸c˜ao dos primeiros testes com o sistema, a necessi-
dade da utiliza¸c˜ao de dissipadores de calor no VCO e principalmente no amplificador
de potˆencia do sistema. Durante a opera¸c˜ao esses componentes atingem altas tem-
peraturas, tendo seu desempenho muito influenciado pela temperatura. O atenuador
controlado por tens˜ao n˜ao funcionou corretamente e n˜ao foi utilizado no sistema, como
pode ser verificado na figura 3.3.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 53
Figura 3.2: Diagrama de blocos do sistema de de gera¸c˜ao e processamento de microon-
das
Figura 3.3: Foto do sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas montado sobre
uma placa de acr´ılico
3.2 Sistema Digital de Controle e Aquisi¸c˜ao de Da-
dos
A op¸c˜ao pelo desenvolvimento dos sensores de microondas, em vez da utiliza¸c˜ao de
equipamentos laboratoriais ou de bancada, implicou na necessidade de desenvolvimento
de um sistema digital de controle espec´ıfico, que atendesse aos requisitos do sistema
de microondas. Conforme visto no cap´ıtulo 2, o funcionamento de tais sensores n˜ao
´e direto e simples, em alguns casos demandando a realiza¸c˜ao de um conjunto de pro-
cedimentos para a obten¸c˜ao de uma medida (como por exemplo no caso de utiliza¸c˜ao
de uma t´ecnica de FMCW). Nenhuma das solu¸c˜oes de aquisi¸c˜ao e controle dispon´ıveis
atendia a todos os requisitos do sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas
proposto. Al´em disso, os sistemas de aquisi¸c˜ao de dados normalmente utilizados em
3. Sistema Experimental Desenvolvido 54
aplica¸c˜oes laboratoriais e de pesquisa n˜ao atendem aos requisitos de uma aplica¸c˜ao
industrial (ver lista de requisitos para sistemas industriais no in´ıcio do cap´ıtulo).
Tendo em vista as raz˜oes acima expostas e o objetivo a m´edio prazo de desenvolvi-
mento de um medidor multif´asico industrial, um sistema digital de controle e aquisi¸c˜ao
de dados foi desenvolvido. O desenvolvimento deste sistema teve como premissa b´asica
a modularidade e o reaproveitamento de c´odigo e de hardware. Na pr´atica isso quer di-
zer que todo o sistema foi projetado n˜ao somente para atender `as necessidades do atual
projeto, mas para que tamb´em pudesse ser aproveitado integralmente ou parcialmente
em outros projetos. A primeira medida adotada para tornar o sistema embarcado mo-
dular foi a separa¸c˜ao do m´odulo de controle e aquisi¸c˜ao do m´odulo de comunica¸c˜ao.
O sistema embarcado de comunica¸c˜ao forma com o sistema de controle e aquisi¸c˜ao a
unidade de processamento do medidor de fra¸c˜ao de ´agua. A separa¸c˜ao do sistema de
comunica¸c˜ao do sistema de processamento e controle tamb´em implica numa melhora
das caracter´ısticas de tempo real do sistema, uma vez que o controle e a aquisi¸c˜ao
s˜ao realizados por um processador dedicado e independente dos n˜ao-determinismos,
caracter´ısticos da comunica¸c˜ao em rede, ficando essa tarefa a cargo do processador
do sistema embarcado de comunica¸c˜ao. Na atual se¸c˜ao ser´a apresentado somente o
sistema de controle e aquisi¸c˜ao de dados, sendo o sistema embarcado de comunica¸c˜ao
apresentado na se¸c˜ao seguinte.
3.2.1 Caracter´ısticas do Hardware
O sistema de controle e aquisi¸c˜ao possui um DSP de 16 bits com 40 MIPS (Milh˜oes
de instru¸c˜oes por segundo), dedicado somente ao processamento dos sinais do processo.
O modelo utilizado ´e o dsPIC30F4013, fabricado pela Microchip. O sistema foi pro-
jetado com 4 entradas anal´ogicas. A digitaliza¸c˜ao dos sinais anal´ogicos ´e realizada
pelo conversor A/D interno do DSP, o qual possui resolu¸c˜ao de 12 bits e freq¨uˆencia de
aquisi¸c˜ao de at´e 200 MHz. Os sinais anal´ogicos do processo s˜ao primeiramente condi-
cionados e depois filtrados (filtro anal´ogico). A etapa de condicionamento consiste num
amplificador de instrumenta¸c˜ao modelo INA113, fabricado pela Texas Instruments. O
ganho do m´odulo de condicionamento de sinais pode ser configurado de 1 a 500 com o
aux´ılio de um jumper e de um potenciˆometro. Ap´os ser condicionado, o sinal anal´ogico
´e ent˜ao filtrado por um filtro anal´ogico. Foi utilizada uma aproxima¸c˜ao tipo Butter-
worth ativa de quarta ordem. Al´em de filtrar as componentes de alta freq¨uˆencia do
sinal anal´ogico, o filtro tamb´em funciona como filtro anti-recobrimento. A freq¨uˆencia
de corte escolhida foi de 10 kHz. O digrama de Bode do filtro anal´ogico implementado
´e mostrado na figura 3.4. O sinal filtrado ´e ent˜ao amostrado pelo conversor A/D do
DSP. O filtro anti-recobrimento foi projetado para funcionar com uma freq¨uˆencia de
3. Sistema Experimental Desenvolvido 55
aquisi¸c˜ao de 40 kHz por entrada anal´ogica. No entanto, a freq¨uˆencia de aquisi¸c˜ao do
sistema ´e configur´avel pelo usu´ario, sendo 40kHz por canal a freq¨uˆencia m´axima de
aquisi¸c˜ao.
`
A medida que o usu´ario reduz a freq¨uˆencia de aquisi¸c˜ao, a eficiˆencia do
filtro como filtro anti-recobrimento ´e reduzida. Para mais informa¸c˜oes sobre filtros
anal´ogicos, ver [10] e [28].
Figura 3.4: Diagrama de Bode do filtro anti-recobrimento
O sistema de controle e aquisi¸c˜ao possu´ı 4 sa´ıdas anal´ogicas.
´
E utilizado um conver-
sor D/A modelo TLV5618, fabricado pela Texas Instruments, no sistema.
´
E importante
ressaltar que o DSP n˜ao possui conversor D/A integrado. O conversor escolhido possui
resolu¸c˜ao de 12 bits. A comunica¸c˜ao entre o conversor e o DSP ´e feita serialmente
atrav´es do padr˜ao SPI (Serial Peripheral Interface). O sinal anal´ogico produzido pe-
los conversores D/A do sistema ´e filtrado atrav´es de um filtro anal´ogico RC passivo
de 1
a
ordem e ent˜ao condicionado atrav´es do m´odulo de condicionamento das sa´ıdas
anal´ogicas. O m´odulo de condicionamento das sa´ıdas anal´ogicas consiste de dois am-
plificadores por canal: um amplificador inversor e outro n˜ao-inversor. A escolha de
qual dos dois amplificadores ser´a utilizado ´e feita atrav´es de um jumper na placa. O
ganho do amplificador escolhido ´e configur´avel atrav´es de um potenciˆometro. Assim,
devido `a utiliza¸c˜ao dos dois tipos de amplificadores, o sinal anal´ogico de sa´ıda, ou
controle, pode ter sua faixa configurada de 0V a 12V, ou de 0V a -12V. O sistema foi
assim projetado porque alguns componentes do sistema de gera¸c˜ao e processamento
de micro ondas utilizam sinais de controle negativos, enquanto outros utilizam sinais
positivos. Al´em das entradas e sa´ıdas anal´ogicas, o sistema tamb´em possui 2 entradas
digitais e 2 sa´ıdas digitais, ambas isoladas do resto do sistema atrav´es de um ampli-
3. Sistema Experimental Desenvolvido 56
ficador de ganho unit´ario, que funciona como prote¸c˜ao. Para mais informa¸c˜oes sobre
condicionamento de sinais, amplificadores operacionais e microeletrˆonica ver [12]. Na
figura 3.5 ´e mostrado o diagrama de blocos do sistema de controle e aquisi¸c˜ao de dados.
Figura 3.5: Diagrama de blocos do sistema controle e aquisi¸c˜ao de dados
Os componentes e m´odulos constituintes do sistema de controle e aquisi¸c˜ao de
dados foram montados numa PCI (Placa de Circuito Impresso), juntamente com o
sistema embarcado de comunica¸c˜ao, que ser´a descrito na pr´oxima se¸c˜ao. O layout
da placa foi realizado seguindo as recomenda¸c˜oes e procedimentos de compatibilidade
eletromagn´etica para placas de circuito impresso. A t´ıtulo de ilustra¸c˜ao, o desenho da
placa ´e mostrado na figura 3.6. A placa ´e alimentada por uma fonte de tens˜ao sim´etrica
de ±15 V. A placa possui um pequeno m´odulo de alimenta¸c˜ao que, al´em das tens˜oes
de +15V e -15V, fornece tamb´em +5V e +3,3V, para os componentes da placa. Foram
utilizados somente componentes PTH (Placement Through Hole) no projeto devido
`a simplicidade de prototipa¸c˜ao e fabrica¸c˜ao oferecida por esse tipo de tecnologia, se
comparada com a tecnologia de SMT (Surface Mount Technology). Na figura 3.7 ´e
mostrada uma foto da unidade de processamento do sistema, composta pelo sistema
de controle e aquisi¸c˜ao de dados e pelo sistema embarcado de comunica¸c˜ao. O diagrama
esquem´atico do sistema de controle e aquisi¸c˜ao encontra-se no Apˆendice B.
3.2.2 Caracter´ısticas do Firmware
O firmware do DSP do sistema de aquisi¸c˜ao e controle foi desenvolvido em lingua-
gem C, utilizando o ambiente de desenvolvimento MPLab da Microchip. O compilador
utilizado foi C30 da Microchip, espec´ıfico para a fam´ılia de DSPs dsPIC30 da Micro-
chip. O firmware foi estruturado na forma de tarefas colaborativas e n˜ao bloqueantes
atrav´es da utiliza¸c˜ao de diversas m´aquinas de estado, uma para cada tarefa. As tarefas
que o DSP processa s˜ao abaixo listadas:
3. Sistema Experimental Desenvolvido 57
Figura 3.6: Desenho da PCI da unidade de processamento do sistema
Figura 3.7: Unidade de processamento do sistema
• Aquisi¸c˜ao: leitura das entradas anal´ogicas;
• Filtro Digital: processamento dos amostras de acordo com o filtro digital confi-
gurado;
• Controle: c´alculo do sinal de controle em malha fechada, quando configurado
para tal;
3. Sistema Experimental Desenvolvido 58
• Medi¸c˜ao da Fra¸c˜ao de
´
Agua: realiza¸c˜ao dos comandos para opera¸c˜ao do
sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas;
• Atualiza¸c˜ao das Sa´ıdas: atualiza¸c˜ao dos valores das sa´ıdas anal´ogicas e digi-
tais, quando necess´ario;
• Alarmes: envio de mensagens de alarme quando um determinado valor, ou
condi¸c˜ao, pr´e-estabelecida for atingida;
• Comunica¸c˜ao: implementa a comunica¸c˜ao serial com o sistema embarcado de
comunica¸c˜ao;
• Manipula¸c˜ao da Mem´oria N˜ao-Vol´atil: leitura ou escrita da mem´oria n˜ao-
vol´atil que armazena os registradores de configura¸c˜ao do sistema;
• Logging: uma varia¸c˜ao da tarefa de comunica¸c˜ao para transferˆencia de grandes
quantidades de dados, em tempo real, atrav´es de um barramento paralelo.
A execu¸c˜ao das tarefas acima descritas ´e regida pela interrup¸c˜ao do temporizador de
aquisi¸c˜ao, sendo que todas s˜ao executadas em todos os ciclos de aquisi¸c˜ao. O controle
de execu¸c˜ao de cada tarefa ´e regido por uma m´aquina de estados independente. Dessa
forma, ap esar de todas as tarefas serem solicitadas em todos os ciclos de aquisi¸c˜ao, na
maior parte das vezes elas retornam o controle prontamente `a rotina principal, pois
nada tˆem a executar. Essa organiza¸c˜ao otimiza o desempenho de tempo-real do sistema.
No entanto, nenhuma avalia¸c˜ao ou estudo mais aprofundado sobre o comportamento
de tempo-real do sistema foi realizado pois foge do escopo do presente trabalho. Na
figura 3.8 ´e mostrado o fluxo de dados atrav´es das diferentes tarefas do sistema de
controle e aquisi¸c˜ao.
A interface com o sistema de comunica¸c˜ao embarcada ´e realizada serialmente,
atrav´es de uma implementa¸c˜ao simplificada do protocolo Modbus SLIP. Os dados de
logging s˜ao enviados atrav´es do barramento paralelo para uma mem´oria FIFO externa,
pertencente ao sistema embarcado de comunica¸c˜ao, o qual ser´a descrito na pr´oxima
se¸c˜ao.
O sistema de controle e aquisi¸c˜ao foi projetado para ser flex´ıvel e permitir a sua
utiliza¸c˜ao em diversas etapas do projeto e, inclusive, em outros sistemas e aplica¸c˜oes. O
sistema de controle e aquisi¸c˜ao pode ser configurado para operar em diferentes modos
de opera¸c˜ao. Abaixo s˜ao listados os poss´ıveis modos de opera¸c˜ao:
• Modo Aquisi¸c˜ao: nesse modo o sistema realiza somente aquisi¸c˜ao de dados. Um
usu´ario ou uma aplica¸c˜ao podem ler as entradas anal´ogicas ou digitais quando
3. Sistema Experimental Desenvolvido 59
Figura 3.8: Fluxograma de dados no firmware do sistema de controle e aquisi¸c˜ao
desejarem ou o sistema pode realizar o logging das entradas automaticamente.
O sistema tamb´em pode ser configurado para gerar alarmes quando uma deter-
minada condi¸c˜ao for atingida. As entradas anal´ogicas podem ainda ser filtradas
pelo filtro digital do sistema.
• Modo Controlador Manual: nesse modo um usu´ario ou uma aplica¸c˜ao pode,
al´em de monitorar as entradas do sistema, enviar comandos para as sa´ıdas
anal´ogicas ou digitais do sistema.
• Modo Controlador Autom´atico: nesse modo o sistema pode controlar um
processo de forma autom´atica, de acordo com uma lei de controle previamente
configurada nele.
• Modo Filtro Digital: o sistema de controle e aquisi¸c˜ao pode ser configurado
como um filtro digital, continuamente amostrando um sinal anal´ogico, proces-
sando o sinal digital e reconstruindo o sinal anal´ogico filtrado.
• Modo Medidor de Fra¸c˜ao de
´
Agua: quando configurado nesse modo, o
sistema assume uma configura¸c˜ao espec´ıfica. Todas as tarefas do sistema s˜ao
configuradas de uma forma pr´e-determinada. Os parˆametros de configura¸c˜ao do
usu´ario s˜ao espec´ıficos para a realiza¸c˜ao dessa tarefa. O sistema possui ainda
dois submodos quando configurado para operar no modo medidor de fra¸c˜ao de
´agua. No submodo teste o sistema realiza ensaios previamente determinados para
avalia¸c˜ao do sistema e das diversas t´ecnicas de inferˆencia. No submodo medidor
o sistema mede continuamente a fra¸c˜ao de ´agua do sistema, armazenando o valor
3. Sistema Experimental Desenvolvido 60
mais recente num registrador da mem´oria, o qual pode ser lido, por exemplo,
atrav´es de um software supervis´orio.
3.3 Sistema Embarcado de Comunica¸c˜ao
Conforme descrito anteriormente, o sistema embarcado de comunica¸c˜ao foi separado
do sistema de controle e aquisi¸c˜ao de dados com o objetivo de tornar mais modular o
sistema. Apesar disso, ambos os sistemas s˜ao montados numa mesma placa, compartil-
ham uma mesma fonte de alimenta¸c˜ao e juntos constituem a unidade de processamento
do medidor de fra¸c˜ao de ´agua. A primeira etapa do projeto do sistema embarcado de
comunica¸c˜ao foi a escolha do protocolo de comunica¸c˜ao a ser utilizado. A decis˜ao de
qual protocolo implementar e adotar no desenvolvimento de uma unidade de proces-
samento compacta, espec´ıfica e de baixo custo, conforme aqui apresentada, n˜ao ´e uma
decis˜ao trivial. A implementa¸c˜ao do protocolo de comunica¸c˜ao tem que ser realizada
em n´ıvel de hardware, ou meio f´ısico, e em n´ıvel de software. Al´em de determinar di-
versos aspectos do projeto de hardware e software do sistema embarcado, o protocolo
de comunica¸c˜ao escolhido influencia a maneira como o medidor como um todo ir´a fun-
cionar, determinando como se dar´a a intera¸c˜ao desse equipamento com outros e com os
usu´arios e operadores do sistema. O sistema embarcado de comunica¸c˜ao foi projetado
para atender aos seguintes requisitos de projeto:
• robustez;
• escalonabilidade do sistema;
• capacidade de monitoramento, configura¸c˜ao e diagn´ostico remoto;
• baixo custo;
• interoperabilidade e compatibilidade com outros equipamentos e sistemas;
• alta velocidade de transmiss˜ao de dados.
3.3.1 Protocolo de Comunica¸c˜ao
Com o avan¸co tecnol´ogico surgiram, e surgem cada vez mais, novas necessidades
de integra¸c˜ao entre os sistemas produtivos, em seus diversos n´ıveis (redes de campo,
ch˜ao-de-f´abrica, supervis´orios, sistemas de gest˜ao, etc). Dessa forma, hoje em dia um
instrumento de medi¸c˜ao n˜ao precisa somente medir a grandeza propriamente dita, mas
3. Sistema Experimental Desenvolvido 61
tamb´em disponibilizar seus dados num sistema de informa¸c˜ao mais amplo e integrado,
bem como permitir altera¸c˜oes de configura¸c˜ao e o diagn´ostico do seu funcionamento
remotamente. Instrumentos que n˜ao s˜ao capazes de se integrarem num sistema com-
putacional de informa¸c˜ao, ou supervis˜ao, praticamente n˜ao existem mais no mercado.
Instrumentos que utilizam padr˜oes e protocolos de comunica¸c˜ao propriet´arios tamb´em
tˆem perdido mercado para instrumentos que adotam um padr˜ao de comunica¸c˜ao aberto
ou homologado e mantido por uma organiza¸c˜ao ou cons´orcio de empresas.
Devido `a redu¸c˜ao dos custos dos microprocessadores e ao aumento exponencial da
sua capacidade de processamento, os padr˜oes de comunica¸c˜ao est˜ao cada vez mais
complexos e incorporam nos instrumentos de medi¸c˜ao e controle que os utilizam uma
variedade de funcionalidades at´e pouco tempo s´o encontradas em sistemas computa-
cionais de grande e m´edio porte, como: computadores industriais, pessoais e CLPs
de grande porte. Dentre os diversos padr˜oes existentes, podemos destacar alguns dos
mais utilizados, como por exemplo: Fieldbus Foundation, Profibus DP, CAN e Mod-
bus. Cada padr˜ao possui suas vantagens e desvantagens sendo que, em geral, cada
segmento industrial acaba adotando um padr˜ao.
A escolha do protocolo de comunica¸c˜ao a ser implementado requer uma pondera¸c˜ao
entre requisitos do sistema, esfor¸cos de desenvolvimento e custos. Tendo em vista es-
sas pondera¸c˜oes, a op¸c˜ao foi pela utiliza¸c˜ao do protocolo Modbus TCP/IP. O Modbus
´e um protocolo de comunica¸c˜ao criado em 1979 para permitir a comunica¸c˜ao entre, e
com, controladores e equipamentos industriais. A maioria dos CLPs utilizados nos mais
diversos segmentos industriais adotam esse padr˜ao ou, no m´ınimo, possuem m´odulos
de expans˜ao compat´ıveis com o padr˜ao Mo dbus. Recentemente, a Modbus-IDA, as-
socia¸c˜ao respons´avel pela manuten¸c˜ao da especifica¸c˜ao do protocolo Modbus, lan¸cou
uma nova especifica¸c˜ao: o Modbus TCP/IP. Desde ent˜ao, tal padr˜ao tem tido cres-
cente importˆancia no mercado devido `a sua facilidade de integra¸c˜ao com os antigos
equipamentos Modbus-RTA e tamb´em devido `a sua simplicidade.
O protocolo Modbus TCP/IP ´e um protocolo do tipo mestre/escravo, em que so-
mente o mestre pode iniciar uma transmiss˜ao no barramento. Certamente n˜ao se trata
de um protocolo de ´ultima gera¸c˜ao, que contempla em sua especifica¸c˜ao todas as fun-
cionalidades requeridas pelos novos ”equipamentos inteligentes”, com sua arquitetura
de controle distribu´ıdo. No entanto, para a grande maioria das aplica¸c˜oes encontradas
nas diversas etapas da cadeia de processamento do p etr´oleo (explota¸c˜ao, transporte,
refino), o Modbus TCP/IP ´e um protocolo robusto e confi´avel, que atende aos requisi-
tos dos sistemas de automa¸c˜ao, controle e supervis˜ao requeridos. Al´em disso, trata-se
de um protocolo aberto.
Como o nome sugere, o protocolo Modbus TCP/IP ´e implementado sobre uma rede
Ethernet. O padr˜ao Ethernet tem ganhado cada vez mais espa¸co no mercado das redes
3. Sistema Experimental Desenvolvido 62
de campo. No entanto, este padr˜ao n˜ao implementa a camada de aplica¸c˜ao do modelo
OSI. Faz-se, portanto, necess´aria a utiliza¸c˜ao de algum outro protocolo que permita a
comunica¸c˜ao entre os instrumentos, e dos instrumentos com os sistemas de alto n´ıvel,
no caso o protocolo Modbus TCP/IP. Dentre as vantagens da utiliza¸c˜ao do padr˜ao
Ethernet, podemos citar:
• tecnologia de baixo custo;
• padr˜ao amplamente difundido e conhecido;
• facilidade na integra¸c˜ao com sistemas de mais alto n´ıvel;
• padr˜ao aberto;
• permite alta velocidade de transmiss˜ao de dados;
• possibilita longas distˆancias de comunica¸c˜ao sem necessidade da utiliza¸c˜ao de
repetidores.
3.3.2 Caracter´ısticas do Hardware
No m´odulo de comunica¸c˜ao foi utilizado um microcontrolador PIC18F2620, de 8bits
e 8MIPS, da Microchip. Para a interface com a camada f´ısica do protocolo de comu-
nica¸c˜ao ´e utilizado um controlador Ethernet modelo ENC28J60, fabricado pela Micro-
chip. A comunica¸c˜ao entre o microcontrolador e o controlador Ethernet ´e realizada
serialmente atrav´es de uma interface SPI. O controlador de Ethernet, al´em de imple-
mentar a camada f´ısica, implementa tamb´em a camada MAC do protocolo Ethernet.
As demais camadas definidas pelo protocolo s˜ao implementadas no microcontrolador.
Para tal ´e utilizada uma biblioteca fornecida gratuitamente pela pr´opria Microchip,
conhecida como ”pilha TCP/IP”(do inglˆes TCP/IP Stack). A referida pilha TCP/IP
demanda um espa¸co significativo na mem´oria de programa do microcontrolador que
a implementa. O microcontrolador, PIC18F2620 utilizado no presente projeto, pos-
sui 64kb de mem´oria de programa (Flash), dos quais aproximadamente 34kb foram
utilizados pelo sistema em quest˜ao.
Al´em dos componentes acima listados, o sistema embarcado de comunica¸c˜ao
tamb´em possui uma mem´oria RAM FIFO (Fisrt In First Out). A mem´oria FIFO
´e utilizada como um elemento isolador entre o sistema embarcado de comunica¸c˜ao e
o sistema de controle e aquisi¸c˜ao. A mem´oria FIFO s´o ´e utilizada quando o modo
logging ´e ativado. O fluxo de dados da comunica¸c˜ao de logging s´o ocorre num sentido,
sendo que somente o sistema de controle e aquisi¸c˜ao produz esse dados. O sistema
3. Sistema Experimental Desenvolvido 63
de comunica¸c˜ao lˆe esses dados e os envia via Ethernet para aplica¸c˜ao do usu´ario. O
restante da comunica¸c˜ao entre os dois sistemas ´e realizado serialmente, atrav´es de
uma implementa¸c˜ao simplificada do protocolo Modbus. Esse t´opico ser´a abordado em
mais detalhes na pr´oxima se¸c˜ao. A comunica¸c˜ao dos dados de logging pode deman-
dar uma banda significativa do barramento de comunica¸c˜ao, dependo da freq¨uˆencia
de aquisi¸c˜ao e de logging configuradas. O sistema foi projetado para funcionar com
qualquer mem´oria FIFO da fam´ılia IDT72XX, fabricada pela empresa americana IDT.
As mem´orias dessa fam´ılia possuem capacidades que variam de 2kb a 64kb. A mem´oria
FIFO n˜ao ´e um componente obrigat´orio no sistema.
´
E poss´ıvel, atrav´es da utiliza¸c˜ao
de um cabo flat, conectar diretamente o sistema de comunica¸c˜ao ao sistema de controle
e aquisi¸c˜ao. Em teoria, o desempenho em tempo-real do sistema de controle e aquisi¸c˜ao
fica prejudicado quando n˜ao se utiliza a mem´oria FIFO. No entanto, n˜ao foram rea-
lizados estudos para determinar quantitativamente o desempenho em tempo-real do
sistema. A placa montada para a realiza¸c˜ao do presente trabalho n˜ao possui mem´oria
FIFO devido a dificuldades t´ecnicas encontradas na montagem do componente SMD
(Surface Mount Device) da mem´oria na placa.
O sistema de comunica¸c˜ao possui ainda um circuito de prote¸c˜ao e isolamento el´etrico
do barramento Ethernet, conforme sugerido no datasheet do controlador ENC28J60.
O conector RJ45 utilizado foi o modelo NU1S516, fabricado pela Bothhand. O mo delo
escolhido possui integrado um transformador de pulsos para cada par tran¸cado de co-
munica¸c˜ao. O transformador de pulsos do conector faz parte do circuito de prote¸c˜ao do
sistema de comunica¸c˜ao. Na figura 3.9 ´e mostrado o diagrama de blocos do sistema de
comunica¸c˜ao. A placa PCI, sobre a qual o sistema de comunica¸c˜ao foi montado, j´a foi
apresentada na se¸c˜ao anterior. Os diagramas esquem´aticos do sistema de comunica¸c˜ao
encontram-se no Apˆendice B. O sistema de comunica¸c˜ao possui ainda 5 leds que si-
nalizam seu estado de funcionamento, sendo que 3 s˜ao integrados ao conector RJ45 e
outros dois leds de 5mm s˜ao externos. O significado de cada led ´e abaixo descrito:
• Amarelo RJ45: RX da comunica¸c˜ao Ethernet.
• Verde RJ45: TX da comunica¸c˜ao Ethernet.
• Vermelho RJ45: indicador de funcionamento (power) do sistema.
• Amarelo 5mm: endere¸co IP configurado (manualmente ou via DHCP).
• Verde 5mm: comunica¸c˜ao com o sistema concentrador de dados estabelecida.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 64
Figura 3.9: Diagrama de blocos do sistema embarcado de comunica¸c˜ao
3.3.3 Caracter´ısticas do Firmware
O firmware do microcontrolador do sistema de comunica¸c˜ao embarcada foi desenvol-
vido em linguagem C, utilizando o ambiente de desenvolvimento MPLab da Microchip.
O compilador utilizado foi o C18 da Microchip, espec´ıfico para a fam´ılia de microcon-
troladores PIC18 da Microchip. O firmware do microcontrolador ´e todo estruturado
em fun¸c˜ao da implementa¸c˜ao da biblioteca TCP/IP Stack da Microchip. A referida
biblioteca ´e organizada em tarefas cooperativas. Cada camada de n´ıvel do protocolo
Ethernet ´e implementada numa tarefa, que por sua vez ´e implementada atrav´es de
m´aquina de estado finito [24]. A estrutura de camadas do padr˜ao Ethernet e a maneira
como esta ´e map eada nas tarefas da biblioteca TCP/IP Stack ´e mostrada na figura
3.10. Para mais detalhes sobre implementa¸c˜ao da comunica¸c˜ao Ethernet em sistemas
embarcados ver [2] e [4].
Nem todas as camadas, ou tarefas, da biblioteca foram utilizadas. Abaixo s˜ao
listadas as tarefas utilizadas no desenvolvimento do sistema de comunica¸c˜ao embarcada
do m´odulo de processamento do medidor de fra¸c˜ao de ´agua.
• MAC: camada de controle de acesso ao meio ( Media Acess Control). Corres-
ponde `a camada 2 do modelo OSI, ou seja, a camada de Enlace de Dados. Al´em
de exercer o controle de acesso ao meio e propiciar os mecanismos b´asicos de de-
tec¸c˜ao de erros de transmiss˜ao, esta camada ´e respons´avel pelo endere¸co MAC, ou
endere¸co f´ısico do dispositivo de comunica¸c˜ao. O endere¸co MAC identifica unica-
mente um dispositivo numa rede Ethernet e ´e o mecanismo b´asico, de mais baixo
n´ıvel, de endere¸camento dentro do padr˜ao Ethernet. Esta camada n˜ao faz parte
da biblioteca TCP/IP original da Microchip. Na verdade, a implementa¸c˜ao dessa
camada depende do controlador Ethernet utilizado, funcionando na verdade como
um driver para o controlador Ethernet. No presente trabalho foi utilizada a tarefa
3. Sistema Experimental Desenvolvido 65
Figura 3.10: Mapeamento das camadas do padr˜ao Ethernet em tarefas na biblioteca
TCP/IP Stack da Microchip [24]
MAC, ou driver, implementada especificamente para o controlador ENC28J60, a
qual ´e fornecida gratuitamente pelo fabricante.
• ARP: camada de resolu¸c˜ao de endere¸cos (Address Resolution Protocol). Corres-
ponde a camada 3 do modelo OSI, ou seja, a camada de Rede. A fun¸c˜ao desse
protocolo ´e a resolu¸c˜ao de endere¸cos IPs em endere¸cos MAC. A resolu¸c˜ao ´e ne-
cess´aria, por exemplo, na determina¸c˜ao do endere¸co MAC de um dispositivo do
qual s´o se conhece o endere¸co IP.
• IP: camada de Internet (Internet Protocol). Corresponde `a camada 3 do modelo
OSI. Esse protocolo, ou camada, ´e respons´avel pelo endere¸camento, roteamento e
controle de envio e recep¸c˜ao dos datagramas IP. A vers˜ao do protocolo utilizada
´e a IPv4.
• ICMP: camada de controle de mensagens de Internet (Internet Control Message
Protocol). Corresponde `a camada 3 do modelo OSI. Esse protocolo ´e normal-
mente utilizado no envio mensagens de erro ou anomalias na rede. Tamb´em pode
ser usado para obter informa¸c˜oes e realizar diagn´osticos sobre a rede. O servi¸co de
ping, por exemplo, utiliza esse protocolo para determinar se um dado dispositivo
est´a acess´ıvel.
• TCP: camada de controle de transmiss˜ao (Transmission Control Protocol). Cor-
responde `a camada 4 do modelo OSI, ou seja, a camada de Transporte. Esse
protocolo p ermite a transmiss˜ao confi´avel de dados de um dispositivo a outro,
sem duplica¸c˜ao ou perda de dados. Implementa servi¸cos de detec¸c˜ao de erros e
3. Sistema Experimental Desenvolvido 66
retransmiss˜ao de pacotes.
´
E um protocolo orientado a conex˜oes, ou seja, requer
que primeiro seja estabelecida uma conex˜ao entre dois dispositivos para que s´o
ent˜ao a transferˆencia de dados possa ser iniciada.
• UDP: camada de datagramas de usu´ario (User Datagram Protocol). Corres-
ponde `a camada 4 do modelo OSI. Esse protocolo permite a transmiss˜ao de da-
dos de maneira r´apida e com o m´ınimo de overhead poss´ıvel no padr˜ao TCP/IP.
Trata-se de um protocolo de transmiss˜ao n˜ao-confi´avel, pois n˜ao implementa nen-
hum mecanismo de controle ou integridade.
• DHCP: camada de configura¸c˜ao dinˆamica de dispositivos (Dynamic Host Confi-
guration Protocol. Corresponde `a camada 7 do modelo OSI, ou seja, a camada
de Aplica¸c˜ao. A implementa¸c˜ao de um cliente DHCP permite a configura¸c˜ao au-
tom´atica de diversos parˆametros necess´arios para que o cliente opere numa dada
rede IP, como por exemplo: endere¸co IP, m´ascara de rede e gateway padr˜ao.
Al´em das tarefas acima descritas, que implementam as camadas de protocolo do
padr˜ao Ethernet, a biblioteca TCP/IP Stack tamb´em necessita, para o seu funciona-
mento cooperativo, da configura¸c˜ao da tarefa de gerenciamento da pilha (Stack Ma-
nager, a qual por sua vez coordena o funcionamento das demais tarefas. A tarefa de
gerenciamento da pilha faz parte da biblioteca padr˜ao distribu´ıda pela Microchip.
Conforme citado anteriormente, a implementa¸c˜ao do padr˜ao TCP/IP, atrav´es da
biblioteca fornecida pelo Microchip, corresponde somente a uma parte do protocolo
de comunica¸c˜ao adotado no sistema. Foi necess´aria a implementa¸c˜ao do protocolo
Modbus TCP/IP no sistema embarcado de comunica¸c˜ao. O protocolo Modbus TCP/IP
´e basicamente um cliente dos servi¸cos oferecidos pelo protocolo TCP. Nesse sentido, os
pacotes de dados transportados pelo protocolo TCP s˜ao, na verdade, os datagramas
de requisi¸c˜ao e resposta do protocolo Modbus TCP/IP. O protocolo Modbus TCP/IP
corresponde `a camada 7 do modelo OSI, ou seja, a camada de aplica¸c˜ao. Assim como o
processamento dos demais protocolos, o processamento do protocolo Modbus TCP/IP
tamb´em ´e realizado atrav´es de uma tarefa colaborativa no sistema de comunica¸c˜ao
embarcada. A tarefa do protocolo Modbus TCP/IP foi implementada de maneira
n˜ao-bloqueante.
O protocolo Modbus TCP/IP foi implementado para funcionar somente como um
escravo na comunica¸c˜ao Modbus, ap enas respondendo a requisi¸c˜oes de um mestre. A
intera¸c˜ao entre os sistemas embarcado de comunica¸c˜ao e de controle e aquisi¸c˜ao se d´a de
maneira transparente para os equipamentos e usu´arios externos. Para todos os efeitos, o
mestre Modbus enxerga apenas um dispositivo. Os endere¸cos dos registradores Modbus
s˜ao mapeados de maneira cont´ınua e un´ıvoca, conforme exigido pelo protocolo. No
3. Sistema Experimental Desenvolvido 67
entanto, internamente o mapeamento desses registradores ´e divido entre os sistemas de
comunica¸c˜ao e de controle e aquisi¸c˜ao.
Da maneira como foi implementada no sistema, a tarefa Modbus TCP/IP identifica
as mensagens Modbus TCP/IP recebidas pelo sistema, valida essas mensagens e ent˜ao
decide se a requisi¸c˜ao deve ser repassada ao m´odulo de controle e aquisi¸c˜ao ou n˜ao.
Na maior parte dos casos a solicita¸c˜ao ´e repassada ao sistema de controle e aquisi¸c˜ao.
A requisi¸c˜ao Modbus repassada ao sistema de controle e aquisi¸c˜ao ´e simplificada. So-
mente o PDU (simple Protocol Data Unity) da requisi¸c˜ao ´e repassada ao sistema de
controle e aquisi¸c˜ao. O sistema de controle e aquisi¸c˜ao ent˜ao processa a requisi¸c˜ao
recebida e retorna a resposta ao sistema de comunica¸c˜ao embarcada. O sistema de
comunica¸c˜ao reconstr´oi o ADU (Application Data Unit) referente `a implementa¸c˜ao
TCP/IP do protocolo e em seguida envia a resposta, atrav´es da rede Ethernet, ao dis-
positivo mestre solicitante. Na figura 3.11 ´e ilustrada a estrutura de uma mensagem
Modbus TCP/IP. Para mais detalhes sobre o protocolo Modbus TCP/IP, ver [19] e
[18]. O mapeamento dos registradores Modbus no sistema e suas respectivas fun¸c˜oes
s˜ao descritos no Apˆendice C.
Figura 3.11: Estrutura da mensagem Modbus TCP/IP [19]
Tarefa de Logging
O proto colo Modbus TCP/IP n˜ao foi desenvolvido com o prop´osito de permitir
que um registrador seja lido numa freq¨uˆencia muito alta, n˜ao sendo, portanto, ade-
quado para a funcionalidade de logging do sistema. O pr´oprio protocolo TCP/IP
insere um overhead de comunica¸c˜ao muito alto, tornando a comunica¸c˜ao ineficiente de
certa forma. Para aplica¸c˜oes que requerem taxas de transferˆencia muito altas, ou strea-
ming de dados, o protocolo UDP/IP ´e mais adequado. Para atender `as necessidades de
logging do sistema, foi implementada um tarefa de logging no sistema de comunica¸c˜ao,
que assim como as demais at´e agora descritas, funciona de maneira colaborativa e
n˜ao-bloqueante. O mecanismo de logging do sistema utiliza ´unica e exclusivamente
comunica¸c˜ao de dados sobre UDP/IP. Nem o sistema de comunica¸c˜ao, nem o sistema
de controle e aquisi¸c˜ao foram projetados para armazenar grandes quantidades de dados
do processo na sua mem´oria interna. Dessa forma, todo o logging propriamente dito do
3. Sistema Experimental Desenvolvido 68
sistema, ou seja, o armazenamento em mem´oria n˜ao-vol´atil dos dados de processo, ´e
realizado via rede atrav´es de um servi¸co implementado pelo sistema do concentrador de
dados (que ser´a descrito na pr´oxima se¸c˜ao), ou ainda por um servi¸co externo qualquer,
desde que esse servi¸co implemente o protocolo de logging utilizado. A tarefa de logging,
implementada no sistema de comunica¸c˜ao, apenas lˆe os dados inseridos na mem´oria
FIFO (ou diretamente enviados pelo barramento paralelo) e envia esses dados para o
servi¸co de logging remoto configurado no sistema.
Para o funcionamento da funcionalidade de logging remoto no sistema foi necess´aria
a cria¸c˜ao de um protocolo m´ınimo de comunica¸c˜ao. Toda a opera¸c˜ao de logging do
medidor ´e coordenada pelo sistema embarcado de comunica¸c˜ao, mais especificamente
pela tarefa de logging. Caso o sistema esteja configurado para realizar o logging, a
tarefa de logging primeiramente solicita ao servi¸co remoto de logging a cria¸c˜ao de um
canal de logging, de acordo com as configura¸c˜oes da unidade de processamento. Ap´os a
confirma¸c˜ao da cria¸c˜ao do canal, a tarefa de logging ent˜ao autoriza o m´odulo de controle
e aquisi¸c˜ao a iniciar o envio dos dados. Os dados de logging recebidos pelo sistema
s˜ao empacotados de acordo com o protocolo definido e ent˜ao enviados, via rede, para
o servi¸co de logging remoto. Uma solicita¸c˜ao para finalizar o logging pode ser enviada
pelo usu´ario, pela aplica¸c˜ao remota ou pelo pr´oprio sistema de controle e aquisi¸c˜ao.
Quando o sistema de comunica¸c˜ao recebe uma solicita¸c˜ao de finaliza¸c˜ao de logging, este
primeiro interrompe o logging no sistema de aquisi¸c˜ao e controle, quando for o caso, e
ent˜ao solicita ao servi¸co de logging remoto a finaliza¸c˜ao do canal de logging criado. O
protocolo de logging, criado para permitir o funcionamento de tal mecanismo, conforme
descrito, ´e apresentado no Apˆendice D.
Tarefa de Recrutamento
O sistema de comunica¸c˜ao pode ser configurado com um IP fixo ou ent˜ao utili-
zar o protocolo de DHCP para obter um endere¸co IP e suas configura¸c˜oes de rede.
Quando configurado para utilizar o servi¸co de DHCP, se faz necess´aria a utiliza¸c˜ao de
algum mecanismo de cadastramento de equipamentos. Do contr´ario, um mestre nunca
descobriria o endere¸co de um dado equipamento, assim configurado, numa rede. Para
solucionar esse problema foi criado um mecanismo de ”recrutamento”de equipamentos.
Para tanto foi criada uma tarefa de recrutamento no sistema de comunica¸c˜ao. A tarefa
de recrutamento segue as mesmas premissas das demais tarefas at´e agora descritas.
Para tal mecanismo de recrutamento funcionar ´e necess´ario que exista um servi¸co re-
crutador na rede. O servi¸co recrutador ´e implementado no sistema do concentrador de
dados, o qual ser´a descrito na pr´oxima se¸c˜ao.
Quando o sistema de comunica¸c˜ao embarcada obt´em um IP atrav´es do servidor
3. Sistema Experimental Desenvolvido 69
DHCP da rede, a tarefa de recrutamento solicita ao recrutador da rede, via um broad-
cast, a sua inclus˜ao na lista de equipamentos da rede. A lista de equipamentos da
rede pode ent˜ao ser obtida por um mestre qualquer e o endere¸co IP de um dado equi-
pamento pode ser determinado. Os equipamentos s˜ao identificados atrav´es de IDs
alfa-num´ericas, definidas pelo usu´ario. Al´em das IDs, o usu´ario, ou aplica¸c˜ao, pode
utilizar os parˆametros de descri¸c˜ao do equipamento e tipo do equipamento para iden-
tificar univocamente um determinado equipamento. O protocolo de cadastramento foi
implementado sobre o protocolo UDP, uma vez que demanda a transmiss˜ao em broad-
cast de uma solicita¸c˜ao de um recrutamento. A descri¸c˜ao do protocolo de recrutamento
desenvolvido ´e apresentada no Apˆendice D.
3.4 Sistema Computacional do Concentrador de
Dados
A unidade de processamento do medidor de fra¸c˜ao de ´agua foi, at´e agora, apresen-
tada e tratada como sendo uma unidade ´unica na rede. No entanto, o sistema digital
como um todo, formado pela unidade de processamento, sistema do concentrador de
dados e sistema de interface com o usu´ario, foi concebido para funcionar com diversos
equipamentos numa mesma rede. Num cen´ario onde existem diversos equipamentos e
usu´arios operando esses equipamentos, um sistema concentrador se faz necess´ario. O
sistema computacional do concentrador de dados ´e um servi¸co de suporte a opera¸c˜ao
das unidades de pro cessamento do medidor de fra¸c˜ao de ´agua. Al´em disso, o sistema
do concentrador de dados implementa uma interface de comunica¸c˜ao de alto n´ıvel entre
o sistema de interface com usu´ario com as unidades de processamento. As funcionali-
dades oferecidas pelo sistema do concentrador de dados s˜ao abaixo listadas:
• Servi¸co de recrutamento de equipamentos: quando os equipamentos s˜ao
configurados para utilizarem o servi¸co de DHCP para a obten¸c˜ao de seus en-
dere¸cos de rede, faz-se necess´aria a utiliza¸c˜ao de um mecanismo que resolva os
endere¸cos dos equipamentos. O servi¸co de recrutamento receb e solicita¸c˜oes de
recrutamento e mant´em uma lista com os equipamentos presentes na mesma
sub-rede na qual ele est´a instalado.
• Servi¸co de logging: o registro de logging do equipamento n˜ao fica armazenado
nele devido a limita¸c˜oes da sua capacidade de armazenamento. O servi¸co de
logging ´e o respons´avel pelo registro dos dados de logging dos equipamentos da
mesma rede na qual ele foi instalado. Os arquivos podem ser p osteriormente
consultados pela aplica¸c˜ao de usu´ario.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 70
• Servi¸co de Webservices para opera¸c˜ao do sistema digital: o servi¸co de
Webservices implementa uma interface de alto n´ıvel, orientada a servi¸cos, para a
configura¸c˜ao e opera¸c˜ao das unidades de processamento do sistema. A consulta
aos arquivos de logging e `a lista de equipamentos recrutados na rede tamb´em ´e
realizada atrav´es do servi¸co de webservices.
O servi¸co do concentrador de dados precisa ser instalado na mesma sub-rede em
que as unidades de processamento ser˜ao instaladas. O servi¸co pode ser instalado no
pr´oprio servidor da rede ou numa m´aquina separada. Caso o servi¸co seja instalado
numa m´aquina separada, e seja necess´ario acessar o sistema digital de outra rede, ´e
importante que a m´aquina na qual o servi¸co do concentrador de dados foi instalado
possua definida uma rota para a comunica¸c˜ao com as redes externas. Devido ao fato
de as unidades de processamento implementarem o padr˜ao Modbus TCP/IP, qualquer
aplicativo supervis´orio ou de configura¸c˜ao que seja compat´ıvel como esse padr˜ao pode
ser utilizado sem que haja a necessidade de utiliza¸c˜ao do servi¸co do concentrador de
dados.
´
E importante ressaltar que o servi¸co do concentrador de dados n˜ao interfere
na comunica¸c˜ao Modbus TCP/IP, permanecendo as unidades de processamento com-
pat´ıveis com tal padr˜ao. Na figura 3.12 ´e ilustrada uma poss´ıvel configura¸c˜ao para o
sistema digital, com a utiliza¸c˜ao do servi¸co do concentrador de dados
Figura 3.12: Poss´ıvel configura¸c˜ao para o sistema digital
3. Sistema Experimental Desenvolvido 71
O chamado Webservice ´e uma solu¸c˜ao utilizada na integra¸c˜ao de sistemas e na
comunica¸c˜ao entre aplica¸c˜oes diferentes. Com esta tecnologia ´e poss´ıvel que sistemas
desenvolvidos em plataformas diferentes sejam compat´ıveis. Trata-se de uma tecnolo-
gia de RPC ( Remote Procedure Calls), que permite o desenvolvimento de aplica¸c˜oes
distribu´ıdas atrav´es de m´etodos e objetos remotos. As bases para a constru¸c˜ao de
um Webservice s˜ao os padr˜oes XML e SOAP. O transporte dos dados ´e normalmente
realizado via protocolo HTTP (o padr˜ao n˜ao determina o protocolo de transporte). Os
dados s˜ao transferidos no formato XML e encapsulados pelo protocolo SOAP. A grande
vantagem de se utilizar o HTTP (e os Webservices) como solu¸c˜ao de comunica¸c˜ao entre
equipamentos e sistemas ´e a de que, normalmente, os firewalls corporativos e indus-
triais n˜ao oferecem restri¸c˜oes a esse tipo de comunica¸c˜ao sem, no entanto, perderem
a seguran¸ca. Boa parte dos sistemas supervis´orios, ou SCADAs, atuais j´a implemen-
tam nas suas vers˜oes mais recentes drivers para a comunica¸c˜ao com equipamentos e
processos que suportam Webservices.
A comunica¸c˜ao remota via rede, implementada no sistema pelo servi¸co de Webser-
vices do sistema do concentrador de dados, tem se tornado cada vez mais importante
em aplica¸c˜oes industriais. As capacidades de supervis˜ao, configura¸c˜ao e diagn´ostico
remotos est˜ao se tornando padr˜ao em sistemas industriais por diversas raz˜oes, como
por exemplo:
• permite que especialistas possam acompanhar as vari´aveis do processo em qual-
quer lugar do mundo em que se encontrarem, e de qualquer computador;
• permite o diagn´ostico e solu¸c˜ao de problemas em equipamentos defeituosos por
parte do fabricante sem que seja necess´ario o envio de um t´ecnico `a planta;
• reduz os custos operacionais da planta e o custos de manuten¸c˜ao e de instala¸c˜ao
dos equipamentos;
O sistema do concentrador de dados foi todo desenvolvido na linguagem CSharp,
utilizando a ferramenta de desenvolvimento Visual Studio, da Microsoft. O concentra-
dor de dados utiliza a plataforma .NET v2, desenvolvida pela Microsoft. A utiliza¸c˜ao
da plataforma .NET requer que o servi¸co seja instalado numa m´aquina que ofere¸ca su-
porte `a utiliza¸c˜ao dessa plataforma. Existem alguns projetos de implementa¸c˜ao dessa
plataforma em ambiente Linux, como o projeto Mono. Para ser instalado num sistema
operacional Microsoft Windows ´e necess´ario que este possua instalados o IIS (Internet
Information Service e a plataforma .NET v2 propriamente dita. Ambos podem ser
obtidos atrav´es da p´agina da Microsoft na Internet.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 72
Os servi¸cos de recrutamento e logging do sistema do concentrador de dados uti-
lizam exclusivamente o protocolo UDP/IP na comunica¸c˜ao com as unidades de pro-
cessamento, conforme descrito na se¸c˜ao anterior do presente cap´ıtulo. O protocolo de
comunica¸c˜ao desenvolvido para permitir o funcionamento desse servi¸co ´e descrito no
Apˆendice D. No Apˆendice E s˜ao apresentados e descritos todos os servi¸cos, ou m´etodos,
oferecidos pela interface Webservice. Na figura 3.13 ´e mostrado o diagrama de blocos
do sistema do concentrador de dados, onde est˜ao representadas todos as comunica¸c˜oes
existentes no sistema, bem como os protocolos utilizados.
O sistema do concentrador de dados desenvolvido pode ser considerado como um
driver de nova gera¸c˜ao para as unidades de processamento, pois permite a comunica¸c˜ao
destes com diversos aplicativos: sistemas supervis´orios de ´ultima gera¸c˜ao, planilhas
eletrˆonicas (Excel, p or exemplo), ambientes visuais de desenvolvimento e at´e mesmo um
simples navegador de hipertexto. A interface final que permite a compatibilidade com
todos os aplicativos citados ´e a interface Webservices. Computadores de dentro e de fora
da intranet po der˜ao utiliz´a-la para acessar os recursos das unidades de processamento.
N˜ao ´e necess´ario instalar drivers Modbus TCP/IP nos computadores para permitir a
utiliza¸c˜ao das unidades. Na verdade, n˜ao ´e necess´ario instalar driver algum. Somente
o servi¸co do concentrador de dados precisa ser instalado e estar ligado e conectado `a
rede para prover os servi¸cos necess´arios.
3.5 Sistema de Interface com Usu´ario
O sistema digital foi concebido para que a interface com usu´ario funcione em rede,
atrav´es da utiliza¸c˜ao de um navegador de Internet padr˜ao. Nesse contexto, o sistema
de interface com usu´ario ´e ap enas uma p´agina de hipertexto (HTTP) que permite que
o usu´ario configure a unidade de processamento que, por sua vez, controla e coordena
a opera¸c˜ao dos sistemas que comp˜oem o medidor de fra¸c˜ao de ´agua. Al´em de permitir
a configura¸c˜ao do funcionamento do medidor de fra¸c˜ao de ´agua, o sistema de interface
com o usu´ario tamb´em p ermite a opera¸c˜ao do sistema, o acesso aos dados de logging
armazenados no concentrador de dados e tamb´em a leitura do estado atual do medidor,
em tempo-real, incluindo todas a suas vari´aveis de entrada, sa´ıda e internas.
A princ´ıpio n˜ao existem restri¸c˜oes de acesso e o usu´ario pode acessar a interface
com usu´ario do sistema de qualquer computador, que n˜ao necessariamente precisa es-
tar na mesma rede que o sistema do concentrador de dados. Para permitir o acesso
do usu´ario aos equipamentos, o sistema realiza uma autentica¸c˜ao simples com o uso
de senhas. O administrador da rede, ou do sistema, pode adicionar novos usu´arios no
sistema, remover usu´arios ou alterar senhas. O sistema de interface implementado para
3. Sistema Experimental Desenvolvido 73
Figura 3.13: Arquitetura computacional do sistema do concentrador de dados
3. Sistema Experimental Desenvolvido 74
funcionar atrav´es de um navegador ´e, em teoria, compat´ıvel com todos os navegadores
e independente do sistema operacional. O ´unico pr´e-requisito ´e que o navegador possua
instalado o plugin .NET Compact Framework v2.0, ou superior. Apesar de, teorica-
mente, o sistema ser independente da plataforma, somente foram realizados testes no
ambiente Microsoft Windows, e com a utiliza¸c˜ao dos navegadores Mozilla Firefox v1.5,
Mozilla Firefox v2.0 e Microsoft Internet Explorer v6.
Ap´os a sua autentica¸c˜ao no sistema, o usu´ario tem acesso a lista de equipamentos
detectados na rede de equipamentos. Somente ser˜ao detectados no sistema os equipa-
mentos do tipo do descrito no presente trabalho, ou equipamentos desenvolvidos que
utilizem pelo menos o mesmo sistema de comunica¸c˜ao embarcada aqui descrito, ou que
implementem, de alguma forma, o protocolo de recrutamento descrito no Apˆendice C.
O usu´ario pode ent˜ao escolher na lista de equipamentos detectados o equipamento que
ele deseja configurar ou operar. Ap´os a escolha do equipamento, o usu´ario tem acesso
aos menus de configura¸c˜ao e op era¸c˜ao espec´ıficos ao tipo do equipamento selecionado.
As informa¸c˜oes de identifica¸c˜ao do equipamento selecionado aparecem no canto super-
ior esquerdo da tela. Por enquanto, o ´unico tipo de equipamento existente ´e o medidor
de fra¸c˜ao de ´agua. Apesar disso, o sistema de interface com o usu´ario, assim como o
restante do sistema digital, foi projetado para ser escalon´avel e tamb´em ser re-utiliz´avel
integralmente ou parcialmente em outros projetos e equipamentos. Abaixo s˜ao listadas
as op¸c˜oes do menu de configura¸c˜ao que o usu´ario pode configurar:
• Ethernet: nesta op¸c˜ao o usu´ario p ode configurar o identificador, a descri¸c˜ao e
o tipo do equipamento. Essas informa¸c˜oes s˜ao exibidas na lista de equipamentos
detectados e s˜ao ´uteis para a identifica¸c˜ao de um dado equipamento na rede. O
usu´ario pode tamb´em configurar se o sistema funcionar´a com IP fixo ou obter´a
as suas configura¸c˜oes atrav´es do servi¸co de DHCP. Caso seja escolhida a op¸c˜ao
de IP fixo, ´e necess´ario que o usu´ario configure tamb´em os parˆametros de IP, a
m´ascara de rede e o gateway da rede.
• Modo de Aquisi¸c˜ao: nesta op¸c˜ao o usu´ario pode configurar os canais de
aquisi¸c˜ao ativos dentre os 4 dispon´ıveis. Tamb´em ´e necess´aria a configura¸c˜ao
da freq¨uˆencia de aquisi¸c˜ao e da taxa de oversampling, parˆametros esses comuns
a todas as entradas.
• Modo Controlador: nesta op¸c˜ao o usu´ario pode habilitar ou desabilitar os
controladores digitais do sistema e pode tamb´em configurar os parˆametros dos
controladores. Na atual implementa¸c˜ao, os parˆametros s˜ao as constantes da
equa¸c˜ao de diferen¸cas do controlador desejado e a referˆencia do controlador. A
referˆencia do controlador pode ser posteriormente alterada em tempo real.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 75
• Modo Filtro Digital: permite que o usu´ario configure o funcionamento do filtro
digital, habilitando ou desabilitando esta funcionalidade. Tamb´em ´e poss´ıvel
configurar os parˆametros do filtro. Na atual implementa¸c˜ao, os parˆametros do
filtro digital s˜ao as constantes da equa¸c˜ao de diferen¸ca do filtro desejado.
• Modo Medidor de Fra¸c˜ao de
´
Agua: nesta op¸c˜ao o usu´ario pode habilitar o
medidor de fra¸c˜ao de ´agua e configurar seus parˆametros de funcionamento. Os
parˆametros configurados aqui s˜ao espec´ıficos `a t´ecnica de medi¸c˜ao utilizada e tˆem
sofrido constantes modifica¸c˜oes no decorrer do trabalho, por isso n˜ao descritos
em mais detalhes no momento.
• Sa´ıdas Anal´ogicas: permite ao usu´ario habilitar ou desabilitar individualmente
as sa´ıdas anal´ogicas do sistema. As sa´ıdas habilitadas precisam ter configuradas
o seu sinal de origem. O sinal de referˆencia de uma sa´ıda anal´ogica pode ser a
sa´ıda de um filtro ou controlador. Tamb´em pode ser configurada pelo usu´ario
via rede. Existe ainda uma outra op¸c˜ao, que seria a gera¸c˜ao de uma fun¸c˜ao de
pr´e-definida.
• Sa´ıdas Digitais: nessa op¸c˜ao o usu´ario pode habilitar ou desabilitar individual-
mente as sa´ıdas digitais do sistema.
• Logging: permite que o usu´ario configure quais canais de dados do medidor ele
deseja que sejam armazenados. Os poss´ıveis canais de logging s˜ao as entradas
anal´ogicas, as sa´ıdas anal´ogicas e os sinais do controlador. Al´em disso, o usu´ario
pode definir a freq¨uˆencia de logging em fun¸c˜ao da taxa de aquisi¸c˜ao. Tamb´em
´e poss´ıvel escolher se o logging ser´a realizado no concentrador de dados da rede
ou atrav´es de algum outro dispositivo. Caso seja utilizado outro dispositivo, ´e
necess´ario configurar o endere¸co IP e a porta para o envio do dados de logging
• Alarmes: nessa op¸c˜ao ´e poss´ıvel configurar o sistema de alarmes do sistema. O
mecanismo de alarmes n˜ao foi implementado. O comportamento do sistema no
caso de alarmes e a maneira como essa informa¸c˜ao chegar´a ao usu´ario ainda n˜ao
foram definidas. Apesar disso, essa op¸c˜ao aparece no menu de configura¸c˜oes.
Quando habilitado o modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua, as demais op¸c˜oes de confi-
gura¸c˜ao do sistema tornam-se indispon´ıveis, pois s˜ao determinadas pelo funcionamento
do modo do medidor de fra¸c˜ao de ´agua. Somente quando o modo de fra¸c˜ao de ´agua
est´a desabilitado o usu´ario pode configurar o sistema. A opera¸c˜ao do sistema fora do
modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua foi de muita utilidade durante o desenvolvimento e
teste dos sistemas que comp˜oem o medidor.
Al´em do menu de configura¸c˜ao, o sistema de interface tamb´em possui o menu de
opera¸c˜ao. No menu de opera¸c˜ao, o usu´ario pode ler os valores atuais das entradas
3. Sistema Experimental Desenvolvido 76
anal´ogicas, entradas digitais, sa´ıdas anal´ogicas e sa´ıdas digitais. O usu´ario tamb´em
pode controlar as sa´ıdas anal´ogicas e digitais, desde que estas estejam configuradas
para aceitar o controle do usu´ario. Tamb´em ´e poss´ıvel para o usu´ario iniciar um ensaio
com o sistema de microondas. Os ensaios de microondas s˜ao realizados para a avalia¸c˜ao
das t´ecnicas de medi¸c˜ao utilizando-se um dado conjunto de parˆametros como, p or
exemplo, freq¨uˆencia do sinal, limites do sweep de freq¨uˆencia, n´umero de amostragem
em cada freq¨uˆencia do sweep, entre outros. Todo os resultados experimentais que ser˜ao
apresentados no presente trabalho foram obtidos atrav´es da realiza¸c˜ao dos referidos
ensaios.
A interface com o usu´ario foi desenvolvida utilizando-se a linguagem de codifica¸c˜ao
HTML, para a codifica¸c˜ao b´asica das p´aginas de hipertexto. Tamb´em foi utilizada a
linguagem ASP.NET para a cria¸c˜ao dos controles de usu´ario nas p´aginas. Os scripts
de servidor executados pelos comandos ASP.NET foram escritos na liguagem CSharp.
O sistema de interface com usu´ario foi todo desenvolvido no ambiente Microsoft Visual
Studio v5. Na figura 3.14 ´e mostrada uma tela do sistema supervis´orio, na qual aparece
a lista de equipamentos detectados. Na figura 3.15 ´e mostrada uma tela do sistema
supervis´orio, na qual aparecem as configura¸c˜oes de logging do equipamento.
Figura 3.14: Tela da interface com usu´ario onde ´e apresentada a lista de equipamentos
detectados na rede
3. Sistema Experimental Desenvolvido 77
Figura 3.15: Tela da interface com usu´ario onde ´e apresentado o menu de configura¸c˜ao
de logging do sistema
3. Sistema Experimental Desenvolvido 78
3.6 Sistema de Alimenta¸c˜ao DC
Para atender as demandas de potˆencia e tens˜oes de alimenta¸c˜ao dos sistemas, prin-
cipalmente do sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas, foram desenvolvidas
fontes de alimenta¸c˜ao DC espec´ıficas. O sistema de gera¸c˜ao e processamento de mi-
croondas demanda uma diversidade de tens˜oes DC, com as mais variadas potˆencias.
Os componentes que comp˜oem o sistema de gera¸c˜ao e processamento de micro ondas
necessitam, para funcionar, das tens˜oes de ±5V , ±12V e ±15V . Al´em disso, devido ao
seu alto custo, o sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas necessita de um
sistema de alimenta¸c˜ao confi´avel, que seja capaz de proteger os sistemas a ele ligados
contra surtos, sobretens˜oes e demais anormalidades da rede el´etrica. O sistema de
alimenta¸c˜ao tamb´em precisa ser imune a interferˆencias eletromagn´eticas, uma vez que
este estar´a muito pr´oximo de fontes eletromagn´eticas relativamente potentes, capazes
de interferir no funcionamento de dispositivos el´etricos e eletrˆonicos.
Outro requisito das fontes de alimenta¸c˜ao DC, empregadas em sistemas de instru-
menta¸c˜ao e medi¸c˜ao, ´e que essas apresentem baixo ripple e baixo conte´udo harmˆonico
na tens˜ao de sa´ıda. A qualidade das medi¸c˜oes do sistema de gera¸c˜ao e processamento
est´a diretamente relacionada `a qualidade das fontes de alimenta¸c˜ao utilizadas. Por esse
motivo, fontes chaveadas, muito comuns no mercado hoje em dia, n˜ao s˜ao as mais indi-
cadas para sistemas de instrumenta¸c˜ao e medi¸c˜ao, uma vez que devido ao seu princ´ıpio
de funcionamento, essas n˜ao costumam apresentar as caracter´ısticas de desejadas. Por
esse motivo optou-se pelo desenvolvimento de fontes de alimenta¸c˜ao lineares. As fontes
desenvolvidas possuem as seguintes caracter´ısticas:
• interruptor iluminado - permite que o usu´ario identifique mais facilmente se o
sistema est´a ligado ou n˜ao;
• conectores para cabos de for¸ca do tipo o IEC - padr˜ao utilizado nas fontes de
computadores;
• prote¸c˜ao contra surtos na entrada atrav´es de fus´ıvel;
• chave interna seletora de tens˜ao (110/220);
• transformadores isoladores toroidais de alto rendimento, blindados e selados;
• utiliza¸c˜ao de diodos schottky na ponte de retifica¸c˜ao;
• diversos est´agios de filtragem e estabiliza¸c˜ao;
• prote¸c˜ao el´etrica contra sobretens˜oes na sa´ıda;
3. Sistema Experimental Desenvolvido 79
• prote¸c˜ao contra sobrecorrente e curtos na sa´ıda atrav´es da utiliza¸c˜ao de fus´ıveis
de queima r´apida (quick blow).
Os transformadores toroidais utilizados s˜ao da s´erie 70000 da AMVECO Magnetics
Inc, possuem perfil baixo e s˜ao espec´ıficos para serem montados em PCI. O modelo do
transformador utilizado depende da tens˜ao e da potˆencia de sa´ıda. A PCI da fonte foi
desenhada de maneira a ser compat´ıvel com qualquer transformador AMVECO da s´erie
70000. O desenho da PCI tamb´em levou em considera¸c˜ao aspectos de compatibilidade
eletromagn´etica, de maneira a minimizar a influˆencia e a emiss˜ao de interferˆencias
eletromagn´eticas na fonte.
As fontes foram projetadas com 2 sa´ıdas completamente independentes de tens˜ao,
podendo inclusive serem ajustadas com tens˜oes de sa´ıda distintas. A tens˜ao de sa´ıda ´e
determinada por um regulador de tens˜ao vari´avel, modelo LM317. O LM317 permite
que a tens˜ao de sa´ıda seja configurada entre 1,25V e 37V, havendo pequenas varia¸c˜oes
dessa faixa de acordo com o fabricante do componente. A configura¸c˜ao da tens˜ao
de sa´ıda no sistema de alimenta¸c˜ao DC ´e feita atrav´es do ajuste de um conjunto de
potenciˆometro e resistor. Dependendo dos valores escolhidos para o conjunto, a fonte
pode apresentar uma faixa de varia¸c˜ao de tens˜ao maior ou menor, sempre respeitando
o limite superior imposto pela tens˜ao de nominal de sa´ıda do transformador. O ajuste
fino da tens˜ao de sa´ıda ´e sempre feito atrav´es do potenciˆometro.
Para a utiliza¸c˜ao de sa´ıdas sim´etricas ´e necess´ario primeiramente igualar as tens˜oes
das 2 sa´ıdas da fontes e ent˜ao curto-circuitar o terminal negativo da sa´ıda 1 com o
terminal positivo da sa´ıda 2. Para cada um dos circuitos de estabiliza¸c˜ao da fonte,
foi utilizado um CMC (Common Mode Choke), que p ermite a elimina¸c˜ao ou redu¸c˜ao
do ru´ıdo de modo comum, presente nestes. A prote¸c˜ao de sobretens˜ao de cada uma
das sa´ıdas ´e realizada atrav´es de um circuito de clipping. O disparo do circuito de
clipping ´e realizado por um diodo zenner, com tens˜ao de polariza¸c˜ao adequada `as
tens˜oes de sa´ıda desejadas. Quando o circuito de clipping ´e acionado, a tens˜ao de sa´ıda
´e instantaneamente aterrada e o fus´ıvel de prote¸c˜ao da sa´ıda queima. A utiliza¸c˜ao do
circuito de prote¸c˜ao contra sobretens˜oes de na sa´ıda ´e opcional.
Foram montadas 4 fontes de alimenta¸c˜ao, sendo trˆes para o sistema de gera¸c˜ao
e processamento de microondas e uma para a unidade de processamento. Todas as
fontes montadas foram configuradas para funcionar como fontes sim´etricas. As trˆes
fontes montadas para o sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas s˜ao de
±5V , ±12V e ±15V . A fonte da unidade de processamento ´e de ±15V , para permitir
que as sa´ıdas anal´ogicas da unidade possam ser configuradas, com uma certa margem
de folga, para a faixa de ±12V . Foram projetadas e constru´ıdas caixas de metal para as
fontes. A tampa da caixa de metal ´e de chapa perfurada para facilitar a ventila¸c˜ao da
3. Sistema Experimental Desenvolvido 80
fonte, principalmente dos reguladores de tens˜ao, que necessitam dissipar muito calor.
Na sa´ıdas de tens˜ao CC foram utilizados conectores fˆemea tipo ”banana”de 4mm. Na
figura 3.16 ´e mostrado, a t´ıtulo de ilustra¸c˜ao, o desenho da PCI da fonte. Nas figuras
3.17 e 3.18 s˜ao mostradas fotos dos fontes prontas. O diagrama esquem´atico da fonte
´e mostrado no Apˆendice B.
Figura 3.16: Desenho da PCI da fonte de alimenta¸c˜ao
Figura 3.17: Foto da fonte de alimenta¸c˜ao com a tampa aberta
3.7 Sistema de Suporte aos Ensaios
Para a avalia¸c˜ao dos sensores de microondas e das t´ecnicas de medi¸c˜ao, foi necess´aria
a constru¸c˜ao de uma bancada de testes que, na ausˆencia de uma infra-estrutura de
escoamento multif´asico, permite que alguns aspectos de um escoamento multif´asico
sejam reproduzidos em laborat´orio. Os componentes principais da bancada de ensaio
3. Sistema Experimental Desenvolvido 81
Figura 3.18: Foto da fonte de alimenta¸c˜ao com a tampa fechada
s˜ao os tanques de acr´ılico. Foram utilizados dois tanques de acr´ılico, projetados e
constru´ıdos especificamente para o projeto, com se¸c˜oes transversais de tamanho similar
a um tubo normalmente utilizado em instala¸c˜oes de produ¸c˜ao de petr´oleo e g´as. Foi
utilizado um tanque com se¸c˜ao transversal quadrada e outro com se¸c˜ao circular. Ambos
os tanques possuem aproximadamente 6 polegadas de diˆametro ou largura. O ensaio
´e realizado num tanque por vez. Foram utilizados dois tanques com o objetivo de
comparar a influˆencia da geometria dos tanques no funcionamento do medidor. Os
tanques possuem uma v´alvula de admiss˜ao e outra de sa´ıda. Para a realiza¸c˜ao dos
ensaios, os tanques s˜ao enchidos com uma fra¸c˜ao de ´agua e ´oleo conhecida. Ap´os a
realiza¸c˜ao do ensaio a quantidade de ´agua ou ´oleo p ode ser modificada com o aux´ılio
das v´alvulas.
Os tanques foram projetados para serem utilizados na horizontal. Nessa confi-
gura¸c˜ao, a separa¸c˜ao natural que ocorre entre a ´agua e o ´oleo n˜ao afeta o comporta-
mento do sistema. Isto ocorre porque os volumes de ´agua e ´oleo que ficam entre as duas
antenas utilizadas s˜ao sempre constantes, independentemente do est´agio de separa¸c˜ao
da mistura. A configura¸c˜ao horizontal tamb´em facilita a remo¸c˜ao controlada de algum
dos componentes atrav´es da v´alvula de sa´ıda, uma vez que ap´os um curto per´ıodo de
tempo a mistura se separa por completo, com ´oleo na parte superior e ´agua na parte
inferior. A op¸c˜ao pela utiliza¸c˜ao do acr´ılico para a constru¸c˜ao dos tanques deve-se ao
fato de que este n˜ao interage com as microondas. Al´em disso, o acr´ılico, por ser um
material transl´ucido, permite que a mistura no interior do tanque seja visualmente ins-
pecionada. Os tanques s˜ao sustentados por suportes de madeira para evitar intera¸c˜oes
indesejadas com as microondas.
3. Sistema Experimental Desenvolvido 82
A bancada de ensaios foi constru´ıda em metal e pintada eletrostaticamente com
tinta ep´oxi, sendo montada sobre rodas para permitir a sua f´acil movimenta¸c˜ao. Os
tanques e as antenas, que s˜ao a parte do sistema que ficam expostas `as microondas,
foram confinadas numa caixa de metal devidamente aterrada. O objetivo da caixa ´e
impedir que as microondas se propaguem livremente pelo espa¸co e interfiram no funcio-
namento dos equipamentos eletrˆonicos utilizados no medidor e tamb´em n˜ao ofere¸cam
nenhum risco `a sa´ude das pessoas pr´oximas durante a realiza¸c˜ao dos ensaios. As an-
tenas s˜ao fixadas em posicionadores que permitem que estas possam ser afastadas ou
aproximadas do tanque. Os posicionadores, por sua vez, s˜ao fixados na tampa superior
e na base da caixa de metal. A tampa da caixa foi constru´ıda com chapas perfuradas.
As chapas perfuradas permitem que seja poss´ıvel visualizar o interior da caixa sem, no
entanto, comprometer o isolamento eletromagn´etico da caixa, uma vez que o diˆametro
dos furos da tampa ´e bem inferior ao comprimento de onda das microondas utilizadas
no sistema. Na figura 3.19 ´e mostrada uma foto da bancada de ensaios durante a rea-
liza¸c˜ao de um ensaio. Na figura 3.20 ´e mostrada em detalhe a estrutura de ensaio no
interior da caixa de metal.
Figura 3.19: Foto da bancada de ensaios durante um ensaio
3. Sistema Experimental Desenvolvido 83
Figura 3.20: Foto da bancada de ensaios durante um ensaio (detalhe do interior da
caixa de Faraday)
3.8 Sistema de Medi¸c˜oes Auxiliares
Conforme mostrado no cap´ıtulo 2, as caracter´ısticas diel´etricas da ´agua variam sig-
nificativamente com algumas propriedade f´ısicas da ´agua. As duas principais fontes de
erros de medi¸c˜ao para a aplica¸c˜ao dos sensores de microondas na ind´ustria de petr´oleo e
g´as s˜ao a temperatura da mistura e a salinidade da ´agua. Para o correto funcionamento
de um sensor de microondas ´e necess´ario que as medi¸c˜oes realizadas sejam corrigidas
com os valores da medi¸c˜ao da temperatura e da salinidade mistura bif´asica.
Apesar da importˆancia da realiza¸c˜ao das medi¸c˜oes auxiliares para a confiabilidade
do sistema, o sistema de medi¸c˜oes auxiliares n˜ao chegou a ser implementado no presente
trabalho. Em aplica¸c˜oes industriais o efeito dessas fontes de varia¸c˜ao e incerteza ´e
relevante e n˜ao pode ser desprezado, tendo em vista as condi¸c˜oes extremas que esses
sistemas podem ser submetidos. No entanto, para o estudo em condi¸c˜oes simuladas e
controladas de laborat´orio, a influˆencia de tais parˆametros n˜ao compromete a validade
das medi¸c˜oes.
3.9 Conclus˜oes
No presente cap´ıtulo foi apresentado e descrito o sistema experimental desenvol-
vido. Cada um dos sub-sistemas que comp˜oem a bancada de testes foram descritos,
3. Sistema Experimental Desenvolvido 84
com exce¸c˜ao do sistema de medi¸c˜ao auxiliares que n˜ao chegou a ser implementado
durante o presente trabalho. Todos os sistemas foram desenvolvidos tendo em vista
a possibilidade de aplica¸c˜ao futura num medidor industrial. Os sistemas de instru-
menta¸c˜ao e de controle desenvolvidos permitem a constru¸c˜ao de v´arios tipos de sensores
de microondas como, por exemplo, sensores de transmiss˜ao, sensores de ressonˆancia e
sensores de reflex˜ao. A tecnologia aplicada nesses tipos de sensores ´e muito parecida
e com pequenas altera¸c˜oes na estrutura da bancada esses tipos de testes podem ser
realizados.
Com o desenvolvimento da bancada de ensaios uma etapa importante do projeto
foi conclu´ıdo. A partir da bancada ´e poss´ıvel a realiza¸c˜ao de diversos experimentos
que permitem que diversos aspectos positivos e negativos dos sensores de microondas
possam ser avaliados. No pr´oximo cap´ıtulo ser˜ao descritos os tipos de testes que foram
realizados no sistema e as condi¸c˜oes nas quais se derem esses testes. Tamb´em ser˜ao
apresentados os resultados obtidos com a realiza¸c˜ao dos testes.
Cap´ıtulo 4
Resultados Experimentais
No presente cap´ıtulo ser˜ao descritos os testes e ensaios realizados com a unidade
experimental. O objetivo principal dos testes ´e avaliar e viabilidade da utiliza¸c˜ao de
sensores de transmiss˜ao para a medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua em aplica¸c˜oes da ind´ustria
de petr´oleo e g´as. Ser˜ao apresentados os dados os obtidos nos diversos testes e ensaios
realizados.
4.1 Descri¸c˜ao de um Ensaio
A bancada de ensaios foi inicialmente projetada para permitir a avalia¸c˜ao de sen-
sores de transmiss˜ao somente. Apesar disso, o sistema de microondas, permite assim
como, o sistema digital, que outros tipos de sensores sejam constru´ıdos e avaliados.
No presente trabalho foram avaliados somente os sensores de transmiss˜ao. No entanto,
foram identificados diversos fenˆomenos de ressonˆancia no interior da caixa de ensaios
da bancada de testes.
Para a realiza¸c˜ao dos testes foram utilizados ´agua e ´oleo de cozinha. As quantidades
desses dois componentes foram variadas ao longo de to da a faixa de mistura. Para
uma dada composi¸c˜ao da mistura, diversos ensaios foram realizados e os dados foram
coletados. Al´em da composi¸c˜ao da mistura, o outro parˆametro do sistema que pode
ser alterado ´e a frequˆencia do VCO.
Um teste consiste em (para uma dada composi¸c˜ao da mistura bif´asica no interior do
tanque) medir a intensidade e o atraso de fase do sinal transmitido atrav´es da mistura
para um conjunto de frequˆencias. Os testes podem ser realizados, por exemplo, para
toda a faixa de frequˆencias do VCO, de 8GHz a 12GHz. Um teste tamb´em pode ser
realizado numa frequˆencia somente, ou em qualquer n´umero de frequˆencias desejado.
A resolu¸c˜ao do sistema de gera¸c˜ao de microondas ´e de, aproximadamente, 1MHz.
4. Resultados Experimentais 86
A realiza¸c˜ao dos ensaios experimentais foi automatizada na placa de controle e
aquisi¸c˜ao. O usu´ario s´o necessita configurar alguns parˆametros adicionais para que o
sistema realize, de maneira autom´atica, o teste solicitado, disponibilizando em seguida
os dados de logging armazenados durante a realiza¸c˜ao do teste. Os parˆametros que o
usu´ario necessita configurar no sistema de controle s˜ao:
• Taxa de aquisi¸c˜ao do sistema (f
s
): a taxa de aquisi¸c˜ao do sistema, al´em
de definir a taxa de amostragem do sistema, funciona como referˆencia de tempo
para alguns parˆametros do ensaio, sendo esses parˆametros medidos em n´umero
de amostras.
• Frequˆencia inicial (f
0
): a frequˆencia na qual o sistema de microondas inicia o
ensaio e a aquisi¸c˜ao dos dados.
• Frequˆencia final (f
1
: frequˆencia na qual o sistema encerra o ensaio.
• Incremento da Frequˆencia (∆f ): permite ao usu´ario configurar o valor do
intervalo de acordo com o qual se dar´a a varia¸c˜ao da frequˆencia do VCO.
• N´umero de Aquisi¸c˜oes (N
AQ
: define o n´umero de aquisi¸c˜oes que ser˜ao rea-
lizadas numa determinada frequˆencia ou patamar. O interruptor do sistema de
gera¸c˜ao e processamento de microondas s´o permite a transmiss˜ao do sinal de
microondas durante o n´umero de aquisi¸c˜oes definidas por esse parˆametro.
• Intervalo Entre Dois Per´ıodos de Aquisi¸c˜ao (T
OF F
: este parˆametro define
por quanto tempo o sistema ficar´a desligado antes de iniciar um novo ciclo de
aquisi¸c˜ao. Este parˆametro pode ser configurado como 0.
O ensaio inicia com o sistema de gera¸c˜ao de microondas desligado e f
0
configurada.
Ap´os T
OF F
aquisi¸c˜oes, o interruptor do sistema ´e ligado, permitindo a transmiss˜ao do
sinal de microondas atrav´es do meio. S˜ao ent˜ao realizadas N
AQ
aquisi¸c˜oes, ap´os as
quais o interruptor ´e novamente desligado. Ap´os a conclus˜ao das N
AQ
a frequˆencia de
oscila¸c˜ao ´e incrementada em ∆f. Caso f
1
n˜ao tenha sido atingida, o sistema aguarda
T
OF F
aquisi¸c˜oes e ent˜ao liga novamente o interruptor e repete todo o ciclo. Quando
f
1
´e atingido, o sistema encerra o ensaio, desliga o interruptor e disponibiliza os dados
para o usu´ario. Na figura 4.1 s˜ao ilustrados os parˆametros de ensaio.
4.2 Ensaios Realizados
O ganho do sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas n˜ao ´e o mesmo
para toda a faixa de frequˆencias. O ganho em frequˆencia do sistema como um todo ´e
4. Resultados Experimentais 87
Figura 4.1: Parˆametros de configura¸c˜ao de um ensaio bancada de testes
resultado da composi¸c˜ao dos ganhos em frequˆencia de cada um dos componentes que
o comp˜oem. Al´em disso, a posi¸c˜ao relativa das antenas, bem como o meio entre elas,
influenciam a resposta em frequˆencia do conjunto. As curvas de ganho da ´agua j´a
foram apresentadas no cap´ıtulo 2.
Com o objetivo de determinar a influˆencia da fra¸c˜ao de ´agua na resposta do sistema,
foram realizados ensaios variando-se o volume de ´agua dentro dos tanques. Depois que
o tanque foi completado com ´agua, iniciou-se a redu¸c˜ao gradativa da quantidade de
´agua e a adi¸c˜ao da mesma quantidade de ´oleo. A ´agua foi adicionada no tanque em
m´ultiplos de 1L. Depois de enchido o tanque, a ´agua foi removida em m´ultiplos de
0,5L. A mesma quantidade era adicionada de ´oleo. Para cada composi¸c˜ao do tanque
foram sempre realizados 2 ensaios, que s˜ao abaixo descritos:
• Ensaio A: este ensaio consiste na medi¸c˜ao da fase e atenua¸c˜ao em duas
frequˆencias. Foram escolhidas as duas frequˆencias de m´axima intensidade do
sinal. As duas frequˆencias precisam ter um m´ınimo valor de separa¸c˜ao entre elas,
sendo necess´ario que ambas caracterizem m´aximos regionais da curva de inten-
sidade do sinal. O sistema foi configurado para realizar 20 aquisi¸c˜oes em cada
frequˆencia, numa taxa de aquisi¸c˜ao de 1000 amostras por segundo.
• Ensaio B: este ensaio consiste na realiza¸c˜ao de uma varredura, ou sweep, de
frequˆencias em torno da regi˜ao que apresenta o pico m´aximo de intensidade do
sinal. A faixa de varia¸c˜ao das frequˆencias ´e de 100MHz, e o incremento da
frequˆencia ´e m´ınimo, ou seja, aproximadamente 1MHz. S˜ao realizadas 3 amostra-
gem em cada frequˆencia. O sistema ´e desligado por dois per´ıodos de amostragem
antes de coletar os dados referentes `a pr´oxima frequˆencia.
4. Resultados Experimentais 88
No entanto, para a realiza¸c˜ao sistem´atica dos ensaios acima descritos, ´e necess´ario
primeiro que se determine as frequˆencias de m´axima intensidade do sinal. Para tal,
´e necess´aria a realiza¸c˜ao de alguns ensaios utilizando toda a faixa de frequˆencias e a
m´axima resolu¸c˜ao, ou menor incremento poss´ıvel. As frequˆencias de m´axima intensi-
dade do sinal no sistema, determinadas para uma dada configura¸c˜ao de ensaios e uma
dada quantidade de ´agua, s˜ao utilizadas em todas as medi¸c˜oes posteriores realizadas,
variando-se somente a fra¸c˜ao de ´agua e ´oleo no interior do tanque. A fra¸c˜ao ´agua (F
h
)
e a fra¸c˜ao de ´oleo (F
o
)no interior do tanque s˜ao expressas em fun¸c˜ao do volume de ´oleo
(V
o
) e do volume de ´agua (V
h
) contidos no tanque, conforme as equa¸c˜oes
F
h
=
V
h
V
h
+ V
o
, (4.1)
F
o
=
V
o
V
h
+ V
o
. (4.2)
A realiza¸c˜ao das medi¸c˜oes em duas frequˆencias, no ensaio tipo A, tem como objetivo
a avalia¸c˜ao do atraso de fase em duas frequˆencias distintas, de maneira a eliminar, em
teoria, a ambiguidade inerente `a medi¸c˜ao do atraso de fase. Os dados obtidos com a
realiza¸c˜ao dos ensaios tipo sweep nos permitem determinar a resposta em frequˆencia
do sistema.
Para cada configura¸c˜ao de ´agua e ´oleo no tanque, o ensaios A foi repetido diversas
vezes (de 4 a 8 vezes). Os dados coletados em todas as medi¸c˜oes, em todas as repeti¸c˜oes,
foram ent˜ao estatisticamente processados e a m´edia e o desvio padr˜ao foram calculados.
Para alguns ensaios foi utilizada uma manta de met´alica envolvendo o tanque. O
objetivo da manta era o de reproduzir a situa¸c˜ao encontrada numa tubula¸c˜ao real,
onde espera-se a ocorrˆencia de diversas reflex˜oes no interior do tubo. Na figura 4.2 ´e
mostrada uma foto do tanque de se¸c˜ao retangular, envolvido pela manta met´alica.
4.3 Curvas Obtidas
4.3.1 Configura¸c˜ao 1
Os ensaios que produziram os gr´aficos abaixo mostrados foram realizados utilizando-
se o tubo de se¸c˜ao transversal retangular. A manta met´alica tamb´em foi utilizada na
realiza¸c˜ao dos ensaios. Primeiramente foi realizado um ensaio para determinar os dois
m´aximos de intensidade do sistema. As frequˆencias obtidas, para as quais a intensidade
do sinal ´e m´axima e, portanto, a atenua¸c˜ao ´e m´ınima, foram 9657 MHz e 9881 MHz,
4. Resultados Experimentais 89
Figura 4.2: Tanque de ensaio com a manta met´alica
sendo a segunda a frequˆencia de m´aximo ganho do sistema. O ensaio tipo A foi realizado
nessas duas frequˆencias e o ensaio tipo B realizado na faixa de 9802 MHz `a 9918 MHz.
Nas figuras abaixo tamb´em ´e mostrada a faixa de incerteza das medi¸c˜oes obtida atrav´es
da tratamento estat´ıstico dos dados coletados. Na figura 4.3 ´e mostrado o gr´afico da
intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo para a frequˆencia de 9657 MHz. Na figura 4.4
´e mostrado o gr´afico do atraso de fase em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo para a frequˆencia
de 9657 MHz. Na figura 4.5 ´e mostrado o gr´afico da intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao
de ´oleo para a frequˆencia de 9881 MHz. Na figura 4.6 ´e mostrado o gr´afico do atraso
de fase em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo no tanque, para a frequˆencia de 9881 MHz.
A convers˜ao dos valores de atraso de fase, obtidos pelo sistema digital, em unidades
de engenharia n˜ao foi realizada pois restam d´uvidas sobre como fazer a convers˜ao. O
sistema foi projetado para realizar a medi¸c˜ao das fases com n´ıveis de altos sinais de LO
e RF no misturador. No entanto, n˜ao foram obtidos os n´ıveis de sinais desejados no
misturador. Quando utilizados sinais de n´ıvel alto, capazes de saturar as entradas do
misturador, a medi¸c˜ao de fase independe das intensidades dos sinais. Em [9] ´e apresen-
tada uma equa¸c˜ao que p ermite obter o atraso de fase, utilizando-se um misturador, para
quando os n´ıveis dos sinais n˜ao s˜ao suficientes para saturar as entradas do misturador.
Conforme pode ser visto nos gr´aficos acima, n˜ao ´e poss´ıvel determinar uma correla¸c˜ao
direta entre os parˆametros medidos e a fra¸c˜ao de ´agua. N˜ao ´e poss´ıvel sequer deter-
minar uma tendˆencia nas curvas de intensidade e atraso de fase. O comportamento
esperado para a intensidade do sinal ´e um aumento da intensidade com o aumento
da fra¸c˜ao de ´oleo (ou equivalentemente, a redu¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua). Observou-se
4. Resultados Experimentais 90
Figura 4.3: Gr´afico da intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o tanque
de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio
Figura 4.4: Gr´afico do atraso de fase em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o
tanque de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio
4. Resultados Experimentais 91
Figura 4.5: Gr´afico do intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o tanque
de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio
Figura 4.6: Gr´afico do atraso de fase em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, utilizando-se o
tanque de se¸c˜ao retangular e com a utiliza¸c˜ao da manta de alum´ınio
4. Resultados Experimentais 92
que o valor medido da intensidade oscila, apresentando uma leve tendˆencia de cresci-
mento para ambas as frequˆencias escolhidas para os testes. Para o atraso de fase, o
comportamento esperado ´e o inverso da intensidade, ou seja, espera-se uma redu¸c˜ao
do atraso de fase com o aumento da fra¸c˜ao de ´oleo. As medi¸c˜oes obtidas, al´em de
oscilarem, apresentam tendˆencias distintas para as duas frequˆencias escolhidas. Ape-
sar disso, o desvio padr˜ao calculado para as diversas medi¸c˜oes realizadas mostrou-se
pequeno, esp ecialmente para a medi¸c˜ao da fase. O desempenho metrol´ogico do sistema
foi considerado satisfat´orio, indicando que o comportamento observado do sistema es-
teja provavelmente relacionado `as intera¸c˜oes secund´arias entre as microondas e o meio,
al´em das intera¸c˜oes esperadas e desejadas.
4.3.2 Configura¸c˜ao 2
Os ensaios que produziram os gr´aficos abaixo mostrados foram realizados utilizando-
se o tubo de se¸c˜ao transversal retangular. Nestes ensaios a manta met´alica n˜ao foi
utilizada. Na figura 4.7 ´e mostrada uma foto da configura¸c˜ao utilizada nesse ensaio.
Figura 4.7: Tanque de ensaio sem a manta met´alica
A metodologia de realiza¸c˜ao dos ensaios nessa configura¸c˜ao foi um pouco diferente
da metodologia utilizada na realiza¸c˜ao dos ensaios com a configura¸c˜ao 1. Al´em dos
ensaios A e B anteriormente descritos, o ensaio de varredura utilizando toda a faixa de
frequˆencias foi repetido para todas as fra¸c˜oes de ´agua. O ensaio de varredura de faixa
inteira foi realizado utilizando-se a m´axima resolu¸c˜ao de frequˆencia do sistema. Na
figura 4.8 ´e mostrado o resultado do ensaio de varredura de ampla faixa para todas as
fra¸c˜oes de ´agua. As frequˆencias escolhidas para a realiza¸c˜ao dos ensaios tipo A foram
4. Resultados Experimentais 93
9907 MHz e 9991 MHz, sendo a primeira a frequˆencia de m´aximo ganho do sistema.
Os resultados obtidos com a realiza¸c˜ao dos ensaios tipo A, para as duas frequˆencias
descritas s˜ao mostrados na figura 4.9. Os ensaios tipo B foram realizados na faixa de
9860 MHz `a 10000 MHz. Os resultados obtidos com a realiza¸c˜ao dos ensaios tipo B ´e
mostrada na figura 4.10
Figura 4.8: Gr´afico da intensidade em fun¸c˜ao da frequˆencia (faixa inteira), utilizando-se
o tanque de se¸c˜ao retangular para diversas fra¸c˜oes de ´agua
O comportamento do atraso de fase para os ensaios realizados utilizando-se a confi-
gura¸c˜ao 2 n˜ao ser˜ao mostrados pois, conforme comentado anteriormente, a metodologia
dos ensaios realizados com a configura¸c˜ao 2 foi um pouco diferente da adotada na confi-
gura¸c˜ao 1. Buscou-se, com os ensaios realizados com a configura¸c˜ao 2, compreender
melhor os fenˆomenos de reflex˜ao e ressonˆancia no interior do sistema. Foram obser-
vados diversos tipos de correla¸c˜oes entre a intensidade do sinal e a fra¸c˜ao de ´agua.
Analisando com aten¸c˜ao e em detalhes os resultados obtidos com o ensaio de varredura
de faixa inteira, observou-se frequˆencias para as quais a correla¸c˜ao entre a intensidade
do sinal e a quantidade de ´agua ´e diretamente proporcional. Em outras frequˆencias a
correla¸c˜ao observado foi inversamente proporcional e, ainda, em outras frequˆencia n˜ao
se observou nenhuma correla¸c˜ao direta entra a intensidade do sinal e a fra¸c˜ao de ´agua.
4. Resultados Experimentais 94
Figura 4.9: Gr´afico da intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua (tipo A), utilizando-se
o tanque de se¸c˜ao retangular 2 frequˆencias escolhidas
Figura 4.10: Gr´afico do intensidade em fun¸c˜ao da frequˆencia (tipo B), utilizando-se o
tanque de se¸c˜ao retangular para diversas fra¸c˜oes de ´agua
4. Resultados Experimentais 95
Al´em disso, como pode ser observado nos gr´aficos da intensidade em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao
de ´agua, tanto para a configura¸c˜ao 1 quanto para a configura¸c˜ao 2, para uma dada
faixa de fra¸c˜oes ´e poss´ıvel obter uma rela¸c˜ao direta e n˜ao-amb´ıgua entre a intensidade
do sinal e a fra¸c˜ao de ´agua. No gr´afico 4.10 ´e poss´ıvel observar, para a faixa de 60% a
100% de ´agua uma rela¸c˜ao clara entre a intensidade do sinal e a fra¸c˜ao de ´agua, apesar
de a rela¸c˜ao obtida ser o inverso da esperada.
´
E importante ressaltar que a maior parte
dos medidores existentes no mercado s˜ao especificados para funcionar dentro de uma
determinada faixa de fra¸c˜oes de ´agua.
Cap´ıtulo 5
Conclus˜oes
O presente trabalho se caracteriza como pioneiro na ´area dentro do DAS. Al´em
dos objetivos expostos no cap´ıtulo 1, podemos ressaltar como objetivo secund´ario a
cria¸c˜ao de uma infra-estrutura m´ınima que permitisse a realiza¸c˜ao do presente trabalho
e servisse como base para desenvolvimentos e trabalhos futuros na ´area. Tendo em vista
a ausˆencia de uma infra-estrutura de testes laboratoriais, todo o sistema foi projetado
e constru´ıdo tendo como objetivo final o desenvolvimento de um medidor industrial.
No presente trabalho foi desenvolvida uma bancada de ensaios para a avalia¸c˜ao da
viabilidade da aplica¸c˜ao da tecnologia de microondas e dos sensores de transmiss˜ao para
a medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua numa mistura est´atica de ´agua e ´oleo. Foram realizados
diversos exp erimentos com o sistema, variando-se alguns parˆametros do processo, mas
utilizando-se a mesma configura¸c˜ao do sistema de instrumenta¸c˜ao.
Os dados coletados nos ensaios foram analisados e verificou-se, para uma dada confi-
gura¸c˜ao do sistema, uma correla¸c˜ao entre a fra¸c˜ao de ´agua da mistura e os parˆametros
medidos pelo sistema de instrumenta¸c˜ao. Com base na correla¸c˜ao obtida um prot´otipo
de medidor de fra¸c˜ao de ´agua foi desenvolvido. No entanto, verificou-se, conforme
apontado na literatura por [9] e [20], as limita¸c˜oes dos sensores de transmiss˜ao para a
aplica¸c˜ao em quest˜ao.
Os resultados obtidos nos ensaios em que foi utilizada a manta met´alica n˜ao indica-
ram nenhuma correla¸c˜ao entre a fra¸c˜ao de ´agua e os parˆametros medidos. A hip´otese
mais prov´avel para a causa dos efeitos indesejados ´e a existˆencia de m´ultiplas reflex˜oes
no interior do tanque devido `a utiliza¸c˜ao da manta met´alica. As reflex˜oes interagem
criando padr˜oes de ondas estacion´arias que interferem de maneira significativa nas
medi¸c˜oes de intensidade e atraso de fase do sinal de microondas. Tal fenˆomeno ´e
descrito na literatura e apontado como principal limita¸c˜ao no uso de sensores de trans-
miss˜ao para medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua em tubos. As curvas de intensidade e de atraso
5. Conclus˜oes 97
de fase em fun¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo, mostradas em 4.3.1, apresentaram resultados si-
gnificativamente distintos para duas frequˆencias diferentes, refor¸cando assim a hip´otese
das m´ultiplas reflex˜oes, uma vez que, para diferentes comprimentos de onda, os padr˜oes
de intera¸c˜oes s˜ao diferentes.
Apesar do conhecimento pr´evio de tais efeitos e limita¸c˜oes dos sensores de trans-
miss˜ao, a escolha de tal tipo de sensor deve-se ao fato de ser este o tipo de sensor de
microondas mais simples. O desenvolvimento de outros tipos de sensores depende do
desenvolvimento intermedi´ario dos sensores de transmiss˜ao. A comprova¸c˜ao experi-
mental de fenˆomenos descritos na literatura pode ser considerada como v´alido conheci-
mento adquirido no processo de desenvolvimento e dom´ınio das tecnologias envolvidas.
A compreens˜ao dos fenˆomenos de reflex˜ao e forma¸c˜ao de ondas estacion´arias que o cor-
rem nos sensores de transmiss˜ao ´e a base te´orica para o desenvolvimento dos sensores
de ressonˆancia, apontados como os sensores mais adequados para serem utilizados na
aplica¸c˜ao em quest˜ao.
Aparentemente, as m´ultiplas reflex˜oes e ondas estacion´arias tamb´em interferiram
nos ensaios realizados sem a manta met´alica, produzindo comportamentos indesejados
no sistema de medi¸c˜ao, ainda que em menor intensidade do que nos ensaios em que foi
utilizada a manta met´alica. Suspeitamos que a caixa met´alica, constru´ıda para isolar
o sistema, causa os mesmos efeitos de reflex˜ao observados nos ensaios com a manta
met´alica.
Para refor¸car a hip´otese das influˆencia das reflex˜oes nas medi¸c˜oes, foi verificado
que a frequˆencia de m´axima intensidade do sinal varia com a utiliza¸c˜ao da manta
met´alica. Utilizando-se o tubo de se¸c˜ao retangular, verificou-se que a frequˆencia de
m´axima intensidade do sinal, obtida atrav´es do ensaio de varredura de frequˆencias, ´e
de 9881 MHz para ensaios em que se utiliza a manta met´alica, e de 9907 MHz nos
ensaios em que n˜ao se utiliza a manta. Aparentemente, em ambas as situa¸c˜oes est˜ao
ocorrendo fenˆomenos de ressonˆancia nas frequˆencias citadas. Em teoria, a frequˆencia
de ressonˆancia deveria variar de acordo com as dimens˜oes da cavidade de ressonˆancia
e com as propriedades diel´etricas do MUT, no entanto, n˜ao foi poss´ıvel observar tal
fenˆomeno. Para uma dada configura¸c˜ao de ensaio, a mesma frequˆencia de ressonˆancia
foi obtida para toda a faixa de fra¸c˜ao de ´oleo, com varia¸c˜oes m´ınimas no limite da
resolu¸c˜ao do sistema. Nessas situa¸c˜oes de m´ultiplas reflex˜oes, a influˆencia do meio
no sinal recebido n˜ao pode ser facilmente determinada. Portanto, nessa situa¸c˜oes, a
eficiˆencia do sistema na medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´oleo ´e question´avel.
Outro fator que supostamente influenciou os resultados criando padr˜oes de inter-
ferˆencia e ondas estacion´arias foi a interface est´atica presente na mistura bif´asica.
Assim como a luz, as microondas sofrem reflex˜oes e refra¸c˜oes quando encontram um
interface entre dois meios com propriedades diel´etricas distintas. A interface est´atica
5. Conclus˜oes 98
presente nos testes est´aticos realizados no sentido axial do tanques n˜ao corresponde
a realidade de um escoamento multif´asico. Novos testes dever˜ao ser conduzidos sobre
uma mistura de ´agua/´oleo devidamente homogeneizada (sem apresentar esta interface).
Isto pode ser realizado adicionado-se um misturador dentro do corpo de prova na ban-
cada de testes. Futuramente uma unidade de escoamento multifasico devera gerar o
fluido de teste em condi¸c˜oes mais pr´oximas da realidade. Neste sentido, atualmente
est˜ao sendo conduzidos trabalhos no DAS, na dire¸c˜ao de construir e disponibilizar para
testes esta unidade de escoamento multif´asico.
O sistema de medi¸c˜ao mostrou-se bastante est´avel e confi´avel, tendo em vista a re-
petibilidade obtida nas medi¸c˜oes realizadas para uma mesma configura¸c˜ao. Al´em disso,
a incerteza das medi¸c˜oes, calculada atrav´es do desvio padr˜ao, foi satisfat´oria, especial-
mente a medi¸c˜ao do atraso de fase que se mostrou bastante est´avel. No entanto, para
obter esse comportamento est´avel foi necess´ario estabilizar a temperatura do sistema
de gera¸c˜ao e processamento de microondas utilizando refrigera¸c˜ao for¸cada. Durante a
realiza¸c˜ao dos primeiros testes com o sistema, verificou-se que o VCO e o amplificador
de potˆencia do sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas produziam muito
calor. Nessas condi¸c˜oes, o sistema de medi¸c˜ao apresentou p´essimas caracter´ısticas
metrol´ogicas. Os dissipadores utilizados no sistema foram subdimensionados. Para
solucionar o problema, foi utilizada ventila¸c˜ao for¸cada no sistema de microondas.
A potˆencia do sinal transmitido e, consequentemente, a intensidade do sinal re-
cebido, ficaram muito abaixo do esperado e determinado teoricamente. A potˆencia
abaixo do esperado reduz a sensibilidade do sistema e for¸ca essa a operar muito abaixo
das condi¸c˜oes ´otimas. Uma hip´otese para a causa da redu¸c˜ao da potˆencia do sistema ´e
a perda de potˆencia devido ao n˜ao casamento de impedˆancias entre os componentes do
sistema de gera¸c˜ao e processamento de microondas, ocasionando o aparecimento de on-
das estacion´arias no sistema e, consequentemente, a perda de potˆencia. Eventualmente,
esse fenˆomeno possa ser, pelo menos em parte, respons´avel pelo sobre-aquecimento do
sistema. Uma poss´ıvel solu¸c˜ao para esse problema ´e a utiliza¸c˜ao de isoladores entre os
elementos de potˆencia do sistema (VCO e amplificador). Uma outra possibilidade para
a melhora do sinal recebido ´e a utiliza¸c˜ao de um amplificador para o sinal recebido.
O mecanismo de logging de alta velocidade implementado utilizando o protocolo
UDP/IP n˜ao funcionou como o esperado. Na pr´atica, para altas frequˆencias de logging
a perda de pacotes na rede foi muito grande, uma vez que o protoclo UDP/IP n˜ao possui
mecanismos de controle de transporte. Devido a essa limita¸c˜ao, a taxa de aquisi¸c˜ao
em que os ensaios foram realizados foi de 1 kHZ.
5. Conclus˜oes 99
5.1 Pendˆencias de Implementa¸c˜ao
Abaixo s˜ao listadas funcionalidades e componentes que fazem parte do projeto do
sistema, mas que, no entanto, n˜ao foram implementadas por raz˜oes diversas.
• O sistema de medi¸c˜oes auxiliares n˜ao chegou a ser implementado. Ele ´e im-
portante para a determina¸c˜ao da influˆencia da temperatura e da salinidade nas
propriedades diel´etricas do meio. Numa aplica¸c˜ao industrial, em condi¸c˜oes reais
de escoamento, a medi¸c˜ao dessas grandezas s˜ao indispens´aveis para a correta
medi¸c˜ao da fra¸c˜ao de ´agua.
• O atenuador controlado por tens˜ao apresentou defeito e n˜ao foi utilizado no sis-
tema. O atenuador control´avel ´e uma pe¸ca importante no sistema de gera¸c˜ao
e processamento de micro ondas. Este componente garante n´ıveis constantes de
intensidade no misturador do sistema de microondas, permitindo que este opere
em condi¸c˜oes ´otimas.
• A mem´oria FIFO, que conecta o sistema de comunica¸c˜ao embarcada ao sistema
de controle e aquisi¸c˜ao de dados, n˜ao foi montada na placa. A utiliza¸c˜ao deste
componente ´e fundamental em aplica¸c˜oes que requerem altas frequˆencias de log-
ging.
• As tarefas de controle, filtro digital e alarme da unidade de aquisi¸c˜ao n˜ao fo-
ram completamente implementadas. A tarefa de controle ´e indispens´avel caso
se utilize o atenuador controlado no sistema de gera¸c˜ao e processamento de mi-
croondas. A tarefa de filtro digital pode melhorar significativamente a qualidade
das medi¸c˜oes da unidade de aquisi¸c˜ao.
5.2 Limita¸c˜oes Operacionais
Abaixo s˜ao listadas algumas limita¸c˜oes, n˜ao previstas, que o sistema implementado
apresentou:
• Para o correto funcionamento do sistema de medi¸c˜ao ´e necess´ario utilizar ven-
tila¸c˜ao for¸cada no sistema.
• A frequˆencia m´axima de logging obtida ´e de 1 kHz, limitando a taxa de aquisi¸c˜ao
para os ensaios em 1 kHz.
5. Conclus˜oes 100
5.3 Dificuldades Encontradas
O processo de aquisi¸c˜ao dos componentes de microondas ´e lento e burocr´atico.
N˜ao existem fabricantes nacionais. Os fabricantes disponibilizam poucas informa¸c˜oes
sobre seus produtos. Os fabricantes n˜ao costumam manter estoques de seus compo-
nentes, sendo estes produzidos ap´os o pedido de compra, o que implica numa demora
de algumas semanas para a produ¸c˜ao dos componentes e, `as vezes, compra de uma
quantidade m´ınima. Al´em disso, por se tratarem de componentes normalmente utili-
zados em aplica¸c˜oes militares e aeroespaciais, o processo de compra pode exigir algum
tipo declara¸c˜ao de utiliza¸c˜ao para fins pac´ıficos.
A inexistˆencia de um laborat´orio equipado e preparado para a realiza¸c˜ao de ensaios
e avalia¸c˜ao das t´ecnicas de inferˆencia utilizando microondas pode ser considerada como
uma grande dificuldade. Tais tipos de testes demandam uma variedade de equipamen-
tos, tais como: analisadores de espectro, geradores de microondas, amplificadores de
potˆencia, antenas direcionais, guias de onda, entre outros. Todos os testes e medi¸c˜oes
foram realizados utilizando ´unica e exclusivamente o equipamento desenvolvido no pre-
sente trabalho, n˜ao havendo nenhum outro equipamento de referˆencias para a valida¸c˜ao
dos resultados ou calibra¸c˜ao do equipamento desenvolvido.
5.4 Sugest˜oes para Trabalhos Futuros
A maior parte das sugest˜oes para trabalhos futuros s˜ao decorrentes de deficiˆencias
e problemas identificados no presente trabalho que, por motivos diversos, n˜ao foram
solucionados. Abaixo s˜ao listadas algumas sugest˜oes para trabalhos futuros:
• implementa¸c˜ao das pendˆencias de implementa¸c˜ao do presente trabalho;
• utiliza¸c˜ao de isoladores no sistema de processamento de microondas;
• avalia¸c˜ao do sistema utilizando outras antenas e configura¸c˜oes das antenas;
• montagem do sistema de processamento e gera¸c˜ao de microondas sobre uma placa
met´alica que facilite a dissipa¸c˜ao do calor produzido pelos componentes;
• montagem do sistema de microondas na forma de uma matriz de componentes, de
maneira a simplificar e permitir a altera¸c˜ao da configura¸c˜ao dos componentes de
microondas, permitindo a altera¸c˜ao do roteamento dos sinais atrav´es da utiliza¸c˜ao
de guias de onda flex´ıveis;
5. Conclus˜oes 101
• utiliza¸c˜ao de mais um amplificador de potˆencia para a transmiss˜ao do sinal e
ainda mais um amplificador para a recep¸c˜ao;
• reavalia¸c˜ao do mecanismo de logging em alta velocidade;
• projeto de uma cavidade de ressonˆancia e avalia¸c˜ao dos sensores de ressonˆancia
utilizando o sistema de instrumenta¸c˜ao atual;
5.5 Considera¸c˜oes Finais
De uma maneira geral, o medidor desenvolvido apresentou resultados muito
pr´oximos dos esperados. Os sistemas de instrumenta¸c˜ao e medi¸c˜ao funcionaram de
maneira satisfat´oria. O tempo dedicado `a realiza¸c˜ao dos ensaios propriamente ditos
foi pequeno. O esfor¸co necess´ario para colocar o sistema em opera¸c˜ao consumiu muito
tempo.
A grande realiza¸c˜ao do presente trabalho foi a cria¸c˜ao de uma infra-estrutura para
trabalhos futuros. A experiˆencia e o conhecimento adquirido no desenvolvimento do
sensor de transmiss˜ao s˜ao de fundamental importˆancia para trabalhos futuros, apesar
de, aparentemente, esse tipo de sensor n˜ao produzir os resultados desejados para a
aplica¸c˜ao em quest˜ao.
Existem diversas aplica¸c˜oes para sensores de micro ondas. Trata-se de uma linha de
pesquisa ampla e variada. A instrumenta¸c˜ao utilizando-se tecnologia de microondas,
apesar de n˜ao ser uma tecnologia nova, ainda ´e assunto pouco estudo. Existem poucas
publica¸c˜oes na ´area e alguns poucos fabricantes oferecendo produtos que empregam
essa tecnologia no mercado.
Apˆendice A
Especifica¸c˜oes T´ecnicas dos
Componentes de Microondas
Utilizados
Neste apˆendice s˜ao apresentadas as especifica¸c˜oes t´ecnicas, bem como o modelo e
o fabricante, dos componentes utilizados no sistema de gera¸c˜ao e processamento de
microondas. Para maiores detalhes sobre os deve-se consultar os datasheets fornecidos
pelos fabricantes, os quais podem ser obtidos atrav´es no website das empresas.
A.1 Antenas
Foram utilizadas duas antenas tipo horn, fabricadas pela empresa Q-par Angus
(http://www.q-par.com). Abaixo s˜ao descritas as principais caracter´ısticas de cada
um dos modelos utilizados.
• QSH16S10S
– Ganho = 10 dBi
– Conector = tipo SMA
– Banda = 8,2 GHz a 12,4 GHz
• QSH16S20S
– Ganho = 20 dBi
– Conector = tipo SMA
– Banda = 8,2 GHz a 12,4 GHz
A. Especifica¸c˜oes T´ecnicas dos Componentes de Microondas Utilizados 103
A.2 VCO
Foi utilizado no sistema um VCO modelo O2ACP12001, fabricado pela Teledyne
Cougar (http://www.cougarcorp.com). Abaixo s˜ao listadas as principais caracter´ısticas
desse componente:
• Banda = 8 GHz a 12 GHz
• Tens˜ao de controle = 0V a -12V
• Potˆencia de sa´ıda = 17 dBm
• Varia¸c˜ao da potˆencia de sa´ıda = 5,5 dB
• Tens˜ao de alimenta¸c˜ao = +15VDC
• Corrente de alimenta¸c˜ao (max) = 220 mA
• Conectores = tipo SMA
A.2.1 Interruptor
Foi utilizado no sistema um interruptor (switch) de um p´olo, modelo SW1AD-
16, fabricado pela Pulsar Microwave Corporation (http://www.pulsarmicrowave.com).
Abaixo s˜ao listadas as principais caracter´ısticas desse componente:
• Banda = 0,3 GHz a 13 GHz
• Tipo = absortiva
• Perda de inser¸c˜ao (max) = 3,5 dB
• VSWR = 1,70
• Tempo de chaveamento = 100 ns
• Tens˜ao de controle = +5V
• Tens˜ao de alimenta¸c˜ao = ±5VDC
• Corrente de alimenta¸c˜ao (tipico) = 30 mA (+5V) e 30mA (-5V)
• Conectores = tipo SMA
A. Especifica¸c˜oes T´ecnicas dos Componentes de Microondas Utilizados 104
A.2.2 Divisor de Potˆencia
Foi utilizado um divisor de potˆencia (power divider) passivo, de 2
vias, modelo PS2-16-450/8S, fabricado pela Pulsar Microwave Corporation
(http://www.pulsarmicrowave.com). Abaixo s˜ao listadas as principais caracter´ısticas
desse componente:
• Banda = 8 GHz a 12,4 GHz
• Perda de inser¸c˜ao (max) = 0,4 dB
• VSWR (max) = 1,35
• Conectores = tipo SMA
A.2.3 Amplificador de Potˆencia
Foi utilizado um amplificador de potˆencia (power amplifier) modelo A2CP11049,
fabricado pela Teledyne Cougar (http://www.cougarcorp.com). Abaixo s˜ao listadas as
principais caracter´ısticas desse componente:
• Banda = 6 GHz a 11 GHz
• Potˆencia de sa´ıda (max)= 30dBm
• Ganho de pequeno sinal (min) = 18.5 dB
• VSWR (max) = 1,7
• Tens˜ao de alimenta¸c˜ao = +12VDC
• Corrente de alimenta¸c˜ao (max) = 590 mA
• Conectores = tipo SMA
A.2.4 Atenuador Controlado por Tens˜ao
Foi utilizado no sistema um atenuador controlado por tens˜ao (voltage controlled
attenuator), com controle linear, modelo AAT-28-479A/5S, fabricado pela Pulsar Mi-
crowave Corporation (http://www.pulsarmicrowave.com). Abaixo s˜ao listadas as prin-
cipais caracter´ısticas desse componente:
A. Especifica¸c˜oes T´ecnicas dos Componentes de Microondas Utilizados 105
• Banda = 6 GHz a 16 GHz
• Faixa de atenua¸c˜ao = 32dB
• Ganho = 8dB/Volt
• Perda de inser¸c˜ao (max) = 4 dB
• VSWR (max) = 2
• Tens˜ao de controle = 0V a 4V
• Tens˜ao de alimenta¸c˜ao = ±15VDC
• Corrente de alimenta¸c˜ao (tipico) = 100 mA (+15V) e 50mA (-15V)
• Conectores = tipo SMA
A.2.5 Misturador
Foi utilizado no sistema um misturador (mixer), passivo, modelo MMP12241, fa-
bricado pela Teledyne Cougar (http://www.cougarcorp.com). Abaixo s˜ao listadas as
principais caracter´ısticas desse componente:
• Banda na porta LO = 2 GHz a 12 GH
• Banda na porta RF = 2 GHz a 12 GHz
• Banda na porta IF = DC a 2 GHz
• Perda de convers˜ao (max) = 5 dB
• Potˆencia de LO (nominal) = +7.0 dBm
• Conectores = tipo SMA
A.2.6 Detector
Foi utilizado no sistema um detector (detector), ativo, modelo DACP18001, fa-
bricado pela Teledyne Cougar (http://www.cougarcorp.com). Abaixo s˜ao listadas as
principais caracter´ısticas desse componente:
• Banda = 0,1 GHz a 18 GHz
A. Especifica¸c˜oes T´ecnicas dos Componentes de Microondas Utilizados 106
• N´ıveis de potˆencia de entrada = -30 dBm a +5 dBm
• VSWR (max) = 1,5
• Tens˜ao de alimenta¸c˜ao = ±5VDC
• Conectores = tipo SMA
Apˆendice B
Diagramas Esquem´aticos
A seguir s˜ao apresentados os diagramas esquem´aticos do sistema de alimenta¸c˜ao
DC, do sistema de controle e aquisi¸c˜ao, e do sistema de comunica¸c˜ao embarcada. O
sistema de controle e aquisi¸c˜ao foi dividido em 2 m´odulos: m´odulo principal de processa-
mento e m´odulo de condicionamento de sinais. O m´odulo de condicionamento de sinais
por sua vez ´e dividido em 2 sub-m´odulos: m´odulo de condicionamento das entradas
anal´ogicas e m´odulo de condicionamento da sa´ıdas anal´ogicas. Os componentes pas-
sivos dos m´odulo de condicionamento condicionamento de sinais n˜ao possuem valores
indicados. Os valores dependem dos ganhos que se deseja no sistema e do projeto do
filtro anti-recobrimento e, portanto, n˜ao ser˜ao detalhados nos diagramas esquem´aticos.
B. Diagramas Esquem´aticos 108
Figura B.1: Diagrama esquem´atico da fonte de alimenta¸c˜ao DC
B. Diagramas Esquem´aticos 109
Figura B.2: Diagrama esquem´atico do m´odulo principal do sistema de controle e
aquisi¸c˜ao
B. Diagramas Esquem´aticos 110
Figura B.3: Diagrama esquem´atico do m´odulo de condicionamento das entradas
anal´ogicas do sistema de controle e aquisi¸c˜ao
B. Diagramas Esquem´aticos 111
Figura B.4: Diagrama esquem´atico do m´odulo de condicionamento das sa´ıdas
anal´ogicas do sistema de controle e aquisi¸c˜ao
B. Diagramas Esquem´aticos 112
Figura B.5: Diagrama esquem´atico do sistema de comunica¸c˜ao embarcada
Apˆendice C
Mapeamento dos Registrados
Modbus da Unidade de
Processamento
Na tabela C.1 ´e apresentado o mapa de registradores Modbus da unidade de pro-
cessamento do sistema. Atrav´es do conhecimento do mapa de registradores ´e poss´ıvel
integrar a unidade de processamento a qualquer sistema compat´ıvel com o protocolo
Modbus TCP/IP. O padr˜ao Modbus utiliza registradores de 16 bits, ou 2 bytes. A
fun¸c˜ao de cada registrador ´e descrita na sequˆencia.
• MODBUS CONF REG: configura o modo de opera¸c˜ao da unidade de proces-
samento. Abaixo s˜ao listados os poss´ıveis valores para esse registrador:
– 0x0000 = Modo Aquisi¸c˜ao.
– 0x0001 = Modo Filtro Digital.
– 0x0002 = Modo Controlador.
– 0x0003 = Modo WCMeter.
• MODBUS TYPE REG: tipo ou modelo do equipamento.
1
• MODBUS ID REG: define um ID alfanum´erico para o equipamento para fa-
cilitar a sua identifica¸c˜ao numa rede com v´arios equipamentos.
• MODBUS DESC REG: define uma descri¸c˜ao para um dado equipamento com
o objetivo de facilitar sua identifica¸c˜ao e fun¸c˜ao numa rede com v´arios equipa-
mentos.
1
por enquanto s´o existe um tipo
C. Mapeamento dos Registrados Modbus da Unidade de Processamento 114
Registrador Endere¸co Tamanho (Words)
MODBUS CONF REG 0x0001 1
MODBUS TYPE REG 0x0002 1
MODBUS ID REG 0x0003 4
MODBUS DESC REG 0x0007 16
MODBUS IP REG 0x0017 2
MODBUS MASK REG 0x0019 2
MODBUS GATEWAY REG 0x001B 2
LOG CONF REG 0x001D 1
LOG FREQ REG 0x001E 1
LOG REMOTE IP 0x001F 2
LOG REMOTE PORT 0x0021 1
AQ FREQ REG 0x0030 1
AQ CHANNELS REG 0x0031 1
AQ OVERSAMPLING REG 0x0032 1
ANALOG OUT1 CONF REG 0x0033 1
ANALOG OUT2 CONF REG 0x0034 1
ANALOG OUT3 CONF REG 0x0035 1
ANALOG OUT4 CONF REG 0x0036 1
ANALOG OUT1 VALUE REG 0x0037 1
ANALOG OUT2 VALUE REG 0x0038 1
ANALOG OUT3 VALUE REG 0x0039 1
ANALOG OUT4 VALUE REG 0x003A 1
LOG AQ CHANNELS REG 0x003B 1
LOG ANALOG OUT CHANNELS REG 0x003C 1
DIGITAL OUT1 CONF REG 0x003D 1
DIGITAL OUT2 CONF REG 0x003E 1
DIGITAL OUT1 VALUE REG 0x003F 1
DIGITAL OUT2 VALUE REG 0x0040 1
REG WC MODE 0x0043 1
REG WC FREQ MIN 0x0044 1
REG WC FREQ MAX 0x0045 1
REG WC STEP NAQ 0x0046 1
REG WC INTER STEP 0x0048 1
REG WC AQFREQ 0x0049 1
REG WC AQ OVERSAMPLING 0x004A 1
REG WC START 0x004B 1
Tabela C.1: Mapa dos registrador Modbus da unidade de processamento
C. Mapeamento dos Registrados Modbus da Unidade de Processamento 115
• MODBUS IP REG: IP do equipamento. Indispens´avel quando se utiliza IP
fixo.
• MODBUS MASK REG: m´ascara de rede do equipamento. Indispens´avel
quando se utiliza IP fixo.
• MODBUS GATEWAY REG: endere¸co do gateway da rede Ethernet. Indis-
pens´avel quando se utiliza IP fixo.
• LOG CONF REG: configura se o logging ser´a realizado pelo servi¸co do concen-
trador de dados, ou atrav´es de um servi¸co externo. Abaixo s˜ao listados os
poss´ıveis valores para esse registrador:
– 0x0000 - logging desabilitado.
– 0x0001 - logging habilitado atrav´es do servi¸co do concentrador de dados.
– 0x0002 - logging habilitado atrav´es de um servi¸co externo.
– 0x0003 - logging habilitado simultaneamente atrav´es do servi¸co do concen-
trador de dados e de um servi¸co externo.
• LOG FREQ REG: a frequˆencia de logging ´e dada pela raz˜ao entre a frequˆencia
de aquisi¸c˜ao e o valor deste registrador.
• LOG REMOTE IP: configura o IP do equipamento de logging remoto.
Quando se utiliza o servi¸co de logging do concentrador de dados n˜ao ´e necess´ario
configurar esse parˆametro.
• LOG REMOTE PORT: configura a porta do equipamento de logging remoto.
Quando se utiliza o servi¸co de logging do concentrador de dados n˜ao ´e necess´ario
configurar esse parˆametro.
• AQ FREQ REG: configura a frequˆencia de aquisi¸c˜ao de dados do sistema.
Todos os canais de aquisi¸c˜ao ativos utilizam a mesma frequˆencia de aquisi¸c˜ao.
• AQ CHANNELS REG: configura os canais anal´ogicos habilitados. Cada bit
corresponde a um canal. Quando setado, o bit habilita a aquisi¸c˜ao do canal cor-
respondente. Como o presente sistema s´o possui 4 entradas anal´ogicas, somente
os bits de 0 a 3 s˜ao utilizados, correspondendo cada um a uma das entradas
digitais.
• AQ OVERSAMPLING REG: configura o parˆametro de oversampling dos
canais de aquisi¸c˜ao. Quando configurado com um valor diferente de 1, o sistema
multiplica a frequˆencia real de aquisi¸c˜ao pelo valor n configurado no registrador,
calculando ent˜ao a m´edia entre as n amostras, de maneira que, para o usu´ario,
C. Mapeamento dos Registrados Modbus da Unidade de Processamento 116
a frequˆencia de aquisi¸c˜ao se mantenha constante. No entanto, como o sistema
na verdade aumenta a frequˆencia e calcula a m´edia utilizando o mesmo fator, as
medidas se tornam mais representativas. O valor 0x0000 n˜ao ´e v´alido para esse
parˆametro.
• ANALOG OUT1 CONF REG: configura a sa´ıda anal´ogica 1 da unidade de
processamento. Abaixo s˜ao listados os poss´ıveis valores para esse registrador:
– 0x0000 = sa´ıda desabilitada.
– 0x0001 = sa´ıda constante, configur´avel pelo usu´ario.
– 0x0002 = sa´ıda tipo fun¸c˜ao predefinida.
– 0x0003 = sa´ıda do filtro digital 1.
– 0x0004 = sa´ıda do filtro digital 2.
– 0x0005 = sa´ıda do controlador 1.
– 0x0006 = sa´ıda do controlador 2.
– 0x0007 = sa´ıda de controle do modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua.
• ANALOG OUT2 CONF REG: configura a sa´ıda anal´ogica 2 da unidade de
processamento. Utiliza a mesma configura¸c˜ao da sa´ıda anal´ogica 1.
• ANALOG OUT3 CONF REG: configura a sa´ıda anal´ogica 3 da unidade de
processamento. Utiliza a mesma configura¸c˜ao da sa´ıda anal´ogica 1.
• ANALOG OUT4 CONF REG: configura a sa´ıda anal´ogica 4 da unidade de
processamento. Utiliza a mesma configura¸c˜ao da sa´ıda anal´ogica 1.
• ANALOG OUT1 VALUE REG: permite a leitura do valor atual da sa´ıda
anal´ogica 1, ou a escrita desta, caso a sa´ıda esteja configurada no modo ”confi-
gur´avel pelo usu´ario”(0x0001).
• ANALOG OUT2 VALUE REG: permite a leitura do valor atual da sa´ıda
anal´ogica 2, ou a escrita desta, caso a sa´ıda esteja configurada no modo ”confi-
gur´avel pelo usu´ario”(0x0001).
• ANALOG OUT3 VALUE REG: permite a leitura do valor atual da sa´ıda
anal´ogica 3, ou a escrita desta, caso a sa´ıda esteja configurada no modo ”confi-
gur´avel pelo usu´ario”(0x0001).
• ANALOG OUT4 VALUE REG: permite a leitura do valor atual da sa´ıda
anal´ogica 4, ou a escrita desta, caso a sa´ıda esteja configurada no modo ”confi-
gur´avel pelo usu´ario”(0x0001).
C. Mapeamento dos Registrados Modbus da Unidade de Processamento 117
• LOG AQ CHANNELS REG: habilita ou desabilita o logging das entradas
anal´ogicas do sistema. Cada bit corresponde a um canal. Como a unidade de
processamento possu´ı apenas 4 canais de aquisi¸c˜ao, somente o bits de 0 a 3 s˜ao
utilizados. Quando setado, o bit habilita o logging do canal correspondente.
• LOG ANALOG OUT CHANNELS REG: habilita ou desabilita o logging
das sa´ıdas anal´ogicas do sistema. Cada bit corresponde a um canal. Como a
unidade de processamento p ossu´ı apenas 4 sa´ıdas anal´ogicas, somente o bits de 0 a
3 s˜ao utilizados. Quando setado, o bit habilita o logging do canal correspondente.
• DIGITAL OUT1 CONF REG: configura a sa´ıda digital 1 da unidade de
aquisi¸c˜ao. Abaixo s˜ao listados os poss´ıveis valores para esse registrador:
– 0x0000 = sa´ıda digital desabilitada. Quando desabilitada a sa´ıda assume
vai para o estado l´ogico baixo (zero).
– 0x0001 = sa´ıda digital configur´avel pelo usu´ario.
– 0x0002 = sa´ıda de controle do modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua
• DIGITAL OUT2 CONF REG: configura a sa´ıda digital 1 da unidade de
aquisi¸c˜ao. Utiliza a mesma configura¸c˜ao da sa´ıda digital 1.
• DIGITAL OUT1 VALUE REG: permite a leitura do valor atual da sa´ıda
digital 1, ou a escrita desta, caso a sa´ıda esteja configurada no modo ”configur´avel
pelo usu´ario”(0x0001).
• DIGITAL OUT2 VALUE REG: permite a leitura do valor atual da sa´ıda
digital 2, ou a escrita desta, caso a sa´ıda esteja configurada no modo ”configur´avel
pelo usu´ario”(0x0001).
• REG WC MODE: configura o funcionamento do modo ”medidor de fra¸c˜ao de
´agua”da unidade de processamento (MODBUS CONF REG = 0x0003).Abaixo
s˜ao listados os poss´ıveis valores para esse registrador:
– 0x0001 = modo ensaio. Nesse modo o sistema realiza ensaios pr´e-
determinados com o sistema de microondas.
– 0x0002 = modo medidor. Nesse modo o sistema mede continuamente a
fra¸c˜ao de ´agua do sistema.
• REG WC FREQ MIN: configura a frequˆencia do sinal de microondas na qual
o sistema deve iniciar no modo de ensaio do medidor de fra¸c˜ao de ´agua. O valor
m´ınimo ´e 7000 (MHz) e o m´aximo 12500 (MHz).
C. Mapeamento dos Registrados Modbus da Unidade de Processamento 118
• REG WC FREQ MAX: configura a frequˆencia m´axima do sinal de microon-
das no modo de ensaio do medidor de fra¸c˜ao de ´agua. O valor m´ınimo ´e 7000
(MHz) e o m´aximo 12500 (MHz).
• REG WC STEP NAQ: configura o n´umero de medi¸c˜oes que devem ser reali-
zadas em cada est´agio. Aceita valores de 1 `a 65535.
• REG WC INTER STEP: configura o incremento da frequˆencia do sinal de
microondas entre os est´agios de um ensaio do modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua.
• REG WC AQFREQ: configura a frequˆencia de aquisi¸c˜ao durante um ensaio
no modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua. Quando configurado no modo medidor de
fra¸c˜ao de ´agua o valor definido em AQ FREQ REG ´e ignorado pelo sistema.
• REG WC AQ OVERSAMPLING: configura a frequˆencia de aquisi¸c˜ao du-
rante um ensaio no modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua. Quando configurado no
modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua o valor definido em AQ FREQ REG ´e ignorado
pelo sistema.
• REG WC START: configura o parˆametro de oversampling dos canais de
aquisi¸c˜ao durante um ensaio no modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua. Quando
configurado no modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua o valor definido em
AQ OVERSAMPLING REG ´e ignorado pelo sistema.
Apˆendice D
Especifica¸c˜ao dos Protocolos de
Comunica¸c˜ao Criados
Para complementar o protocolo Modbus TCP/IP e permitir que a unidade de
aquisi¸c˜ao possu´ısse as funcionalidades necess´arias foi necess´ario o desenvolvimento
de alguns protocolos de comunica¸c˜ao. Os protocolos desenvolvidos funcionam sobre
UDP/IP e s˜ao utilizados na comunica¸c˜ao entre a unidade de aquisi¸c˜ao e o concentra-
dor de dados. Ser˜ao apresentados dois protocolos: o protocolo de recrutamento de
equipamentos e o protocolo de solicita¸c˜ao e configura¸c˜ao de logging. Os protocolos s˜ao
m´ınimos e simples
D.1 Protocolo de Recrutamento
O protocolo de recrutamento permite que um mestre detecte o ingresso de um novo
equipamento na rede e que o equipamento detecte o mestre. Al´em de ser necess´ario
para permitir a resolu¸c˜ao dos IPs dos equipamentos, o processo de recrutamento ´e
indispens´avel para a utiliza¸c˜ao do servi¸co de logging do concentrador de dados. So-
mente equipamentos devidamente recrutados podem solicitar o servi¸co de logging ao
concentrador.
O mecanismo de recrutamento funciona atrav´es do broadcast, `as portas 4000 da
rede, de solicita¸c˜oes de recrutamento (RECRUTER REQUEST) de equipamentos no-
vos equipamentos ou n˜ao recrutados ainda. O servi¸co de recrutamento do concentrador
de dados, quando recebe uma solicita¸c˜ao de recrutamento, retorna ao equipamento so-
licitante uma confirma¸c˜ao de recrutamento (RECRUTER ACK), informando o seu
endere¸co IP. Um equipamento n˜ao recrutado vai continuar enviando solicita¸c˜oes de
D. Especifica¸c˜ao dos Protocolos de Comunica¸c˜ao Criados 120
recrutamento periodicamente at´e receber uma confirma¸c˜ao de um servi¸co de recruta-
mento.
O concentrador de dados mant´em a sua lista de equipamentos recrutados testando
continuamente a conex˜ao com os equipamentos atrav´es do servi¸co de ping do padr˜ao
Ethernet. Quando um equipamento deixa de responder `as comandos de ping do recru-
tador, este equipamento ´e removido da lista de equipamentos do recrutador. De forma
similar, se o recrutador deixar de responder a alguma requisi¸c˜ao de um equipamento,
este assume o estado de n˜ao recrutado e passa a enviar solicita¸c˜oes novamente.
Toda vez que o servi¸co de recrutamento ´e iniciado, re-inciado ou tem o seu endere¸co
IP alterado, o recrutador envia na rede, atrav´es de um broadcast, uma notifica¸c˜ao de
RECRUTER CHANGE, informando seu novo IP. Os equipamentos que recebem essa
notifica¸c˜ao devem passar ao estado de n˜ao-recrutados, reiniciando o processo de recru-
tamento atrav´es do envio peri´odico de solicita¸c˜oes de RECRUTER REQUEST. Abaixo
s˜ao descritas as mensagens de solicita¸c˜ao (RECRUTER REQUEST), confirma¸c˜ao (RE-
CRUTER ACK) e notifica¸c˜ao (RECRUTER CHANGE).
Comando 1 Byte 0xCC
ID do equipamento 8 Bytes 8 caracteres ASCII
Descri¸c˜ao do equipamento 24 Bytes 24 caracteres ASCII
Tipo do equipamento 1 Byte 0x01
Tabela D.1: Mensagem de solicita¸c˜ao de recrutamento (RECRUTER REQUEST)
Comando 1 Byte 0xCE
IP do concentrador de dados 4 Bytes b1.b2.b3.b4
Tabela D.2: Mensagem de confirma¸c˜ao de recrutamento (RECRUTER ACK)
Comando 1 Byte 0xCA
IP do concentrador de dados 4 Bytes b1.b2.b3.b4
Tabela D.3: Mensagem de notifica¸c˜ao de mudan¸ca do concentrador de dados (RECRU-
TER CHANGE)
D.2 Protocolo de Logging
O protocolo de logging permite a utiliza¸c˜ao do servi¸co de logging do concentra-
dor de dados. Qualquer equipamento que esteja na lista de equipamentos cadastrados
pode solicitar ao concentrador de dados um canal de logging. Para cada equipamento
que solicitar um canal de logging ´e criado uma tarefa espec´ıfica para receber, tratar e
armazenar os dados enviados pelo equipamento. A tarefa de logging de um determi-
nado equipamento vai continuar ativa at´e que o equipamento solicite o encerramento
D. Especifica¸c˜ao dos Protocolos de Comunica¸c˜ao Criados 121
do servi¸co, ou ent˜ao, saia da rede e, consequentemente, da lista de equipamentos re-
crutados. De maneira a otimizar a utiliza¸c˜ao da mem´oria no concentrador de dados,
a tarefa de logging de um dado equipamento s´o ´e criada quando o equipamento envia
um requisi¸c˜ao (LOGGER REQUEST) ao concentrador de dados.
O mecanismo do servi¸co de logging inicia com o envio, via UDP/IP, de uma re-
quisi¸c˜ao de logging `a porta 4001 do concentrador de dados. Juntamente com a re-
quisi¸c˜ao o equipamento deve informar ao servi¸co de logging o n´umero de canais de
logging que ser˜ao utilizados, a frequˆencia de logging (em fun¸c˜ao da frequˆencia de
aquisi¸c˜ao), a frequˆencia de aquisi¸c˜ao e o tamanho do pacote de dados que ser´a uti-
lizado. O tamanho do pacote ´e definido pelo equipamento de maneira a otimizar sua
mem´oria e seus buffers internos. Um pacote pode conter os dados de logging de diversos
canais, durante um dado per´ıodo de tempo.
Quando o servi¸co de logging recebe uma requisi¸c˜ao de um equipamento, este ent˜ao
cria uma tarefa espec´ıfica para a recep¸c˜ao e tratamento do fluxo de dados de logging
gerado pelo equipamento. O servi¸co de logging retorna uma confirma¸c˜ao de cria¸c˜ao de
canal de logging (LOGGER ACK) ao equipamento solicitante. Quando cria a tarefa
de logging para um dado equipamento, o servi¸co de logging designa uma porta de
comunica¸c˜ao para ser usada ´unica e exclusivamente para a comunica¸c˜ao de logging
com o equipamento. Junto com a confirma¸c˜ao de cria¸c˜ao de canal de logging o servi¸co
de logging retorna ao equipamento a porta designada para a comunica¸c˜ao de logging
desse equipamento. Ap´os o recebimento da confirma¸c˜ao da cria¸c˜ao de canal de logging
o equipamento pode iniciar o envio de dados de logging para a porta designada do
concentrador de dados.
Os dados de logging s˜ao enviados na forma de um streaming de dados ao concetra-
dor. Somente o equipamento envia dados ao concentrador. N˜ao existem mecanismos de
controle de erros ou de transmiss˜ao segura. Junto com cada pacote de logging o equi-
pamento envia um byte de sequˆencia de pacote ao concentrador. O byte de sequˆencia ´e
incrementado a cada novo envio. O n´umero de sequˆencia funciona como um mecanismo
de estampa de tempo simples. Com base nas configura¸c˜oes de frequˆencia de logging e
de frequˆencia de aquisi¸c˜ao, enviados com a requisi¸c˜ao de logging, o concentrador cal-
cula a estampa de tempo referente a um dado byte de sequˆencia e estampa no arquivo
de logging o instante de recebimento de cada dado. Cada tarefa de logging criada ´e
associada a um ´unico arquivo de logging. O arquivo de logging fica armazenado no
concentrador de dados e pode ser posteriormente recuperado.
Uma tarefa de logging pode ser encerrada pelo equipamento solicitante atrav´es do
envio de uma solicita¸c˜ao de finaliza¸c˜ao de canal de logging (LOGGER STOP) ao servi¸co
de logging na porta 4001 do concentrador de dados. Quando o concentrador recebe uma
requisi¸c˜ao de finaliza¸c˜ao ele encerra a tarefa de logging criada para o equipamento e
D. Especifica¸c˜ao dos Protocolos de Comunica¸c˜ao Criados 122
libera o arquivo de logging gerado para o sistema do concetrador. O arquivo de logging
tamb´em ´e liberado para o sistema se o equipamento sai da lista de equipamentos
recrutados ou solicita um canal de logging j´a possuindo um canal de logging ativo.
Abaixo s˜ao descritas as mensagens de solicita¸c˜ao (LOGGER REQUEST), confirma¸c˜ao
(LOGGER ACK) e notifica¸c˜ao (LOGGER STOP).
Comando 1 Byte 0xDC
Canais de logging 2 Bytes cada bit representa um canal
Frequˆencia de logging 2 Bytes 0 a 65535
Frequˆencia de aquisi¸c˜ao 2 Bytes 0 a 65535
Tamanho do pacote de logging 1 Byte
Tabela D.4: Mensagem de solicita¸c˜ao de cria¸c˜ao de canal de logging (LOG-
GER REQUEST)
Comando 1 Byte 0xDE
Porta de comunica¸c˜ao dedicada 2 Bytes 0 a 65535
Tabela D.5: Mensagem de confirma¸c˜ao de cria¸c˜ao de canal de logging (LOGGER ACK)
Comando 1 Byte 0xD9
Tabela D.6: Mensagem de notifica¸c˜ao de finaliza¸c˜ao de canal de logging (LOG-
GER END)
Apˆendice E
Descri¸c˜ao dos Webservices do
Sistema do Concentrador de Dados
Neste apˆendice s˜ao apresentados os Webservices disponibilizados pelo sistema do
concentrador de dados. Esses Webservices podem ser utilizados por qualquer aplica¸c˜ao
de usu´ario que venha a ser desenvolvida. Tamb´em podem ser utilizados por qualquer
sistema supervis´orio que tenha suporte, ou driver, para Webservices. As fun¸c˜oes que
ser˜ao apresentadas permitem a utiliza¸c˜ao de todas as funcionalidades da unidade de
processamento. Tamb´em permitem que o usu´ario interaja com o sistema num n´ıvel
de abstra¸c˜ao maior do que a utiliza¸c˜ao do protocolo Modbus TCP/IP permite. En-
quanto que, utilizando-se o protocolo Modbus, a configura¸c˜ao do sistema ´e realizada
atrav´es do escrita e leitura de registradores, os Webservices criam uma camada de abs-
tra¸c˜ao que torna detalhes do protocolo e da implementa¸c˜ao transparentes ao usu´ario.
As fun¸c˜oes e estruturas de dados utilizadas pelo Webservices s˜ao obtidas automatica-
mente pelo cliente atrav´es da linguagem WSDL (Web Services Description Language)
e do protocolo UDDI (Universal Description, Discovery and Integration), definidos na
especifica¸c˜ao da tecnologia de Webservices. As fun¸c˜oes disponibilizadas pelos Web-
services s˜ao descritas abaixo. Na sequˆencia s˜ao apresentadas as estruturas de dados
utilizadas. Os prot´otipos
1
das fun¸c˜oes e das estruturas s˜ao apresentados na sintaxe da
linguagem CSharp.
E.1 Fun¸c˜oes dos Webservices
A seguir s˜ao listadas e descritas todas as fun¸c˜oes oferecidos pelo servi¸co de Web-
services do concentrador de dados.
1
do inglˆes: prototypes
E. Descri¸c˜ao dos Webservices do Sistema do Concentrador de Dados 124
• HWList ListHardwares() - retorna uma lista com os dados dos equipamentos
detectados na rede pelo concentrador de dados.
• bool WriteRegister(IP, REG ADD, REG VALUE) - implementa¸c˜ao da
fun¸c˜ao Modbus de escrita de um ´unico registrador. O parˆametro IP corresponde
ao endere¸co da unidade na rede. O parˆametro REG ADD ´e o endere¸co do regis-
trador Modbus que se deseja escrever. A fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando
foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool WriteCoil(IP, COIL ADD, COIL STATE) - implementa¸c˜ao da
fun¸c˜ao Modbus de escrita de uma sa´ıda digital. O parˆametro IP corresponde
ao endere¸co da unidade na rede. O parˆametro COIL ADD ´e a sa´ıda digital que
se deseja escrever. A fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem sucedido,
ou falso caso contr´ario.
• bool WriteMultipleRegisters(IP, REG START ADD, DATA,
N REG) - implementa¸c˜ao da fun¸c˜ao Modbus de escrita de m´ultiplos re-
gistradores. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. O
parˆametro REG START ´e o endere¸co do primeiro registrador Modbus que se
deseja escrever. O parˆametro N REG corresponde ao n´umero de registradores,
a partir de REG START ADD, que se deseja escrever. Os valores que se deseja
escrever devem ser passados, na ordem correspondente, atrav´es do parˆametro
DATA. A fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso
caso contr´ario.
• bool ReadMultipleRegisters(IP, REG START ADD, N REG, ref
DATA) - implementa¸c˜ao da fun¸c˜ao Modbus de leitura de m´ultiplos regis-
tradores. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. O
parˆametro REG START ´e o endere¸co do primeiro registrador Modbus que se
deseja ler. O parˆametro N REG corresponde ao n´umero de registradores, a par-
tir de REG START ADD, que se deseja ler. Os resultados do comando de leitura
ser˜ao armazenados em DATA. A fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem
sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool ReadInputRegisters(IP, REG START ADD, N REG, ref
DATA) - implementa¸c˜ao da fun¸c˜ao Modbus de leitura de m´ultiplas entradas
anal´ogicas. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. O
parˆametro REG START a primeira entrada anal´ogica que se deseja ler. O
parˆametro N REG corresponde ao n´umero de entradas anal´ogicas, a partir de
REG START ADD, que se deseja ler. Os resultados do comando de leitura
ser˜ao armazenados em DATA. A fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi
bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
E. Descri¸c˜ao dos Webservices do Sistema do Concentrador de Dados 125
• bool ConfigureAquisitionRegisters(IP, AQRegs) - permite a configura¸c˜ao
dos parˆametros de aquisi¸c˜ao de dados da unidade de processamento. A estrutura
AQRegs que cont´em a configura¸c˜ao desejada deve ser passada como parˆametro.
O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A fun¸c˜ao retorna
verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool ConfigureAnalogOutputRegisters(IP, AnalogOutRegs) - permite a
configura¸c˜ao dos parˆametros das sa´ıdas anal´ogicas da unidade de processamento.
A estrutura AnalogOutRegs que cont´em a configura¸c˜ao desejada deve ser passada
como parˆametro. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A
fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool ConfigureDigitalOutputRegisters(IP, DigitalOutRegs) - permite a
configura¸c˜ao dos parˆametros das sa´ıdas anal´ogicas da unidade de processamento.
A estrutura DigitalOutRegs que cont´em a configura¸c˜ao desejada deve ser passada
como parˆametro. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A
fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool ConfigureEthernetModule(IP, EthernetModuleRegs) - permite a
configura¸c˜ao dos parˆametros de rede da unidade de processamento. A estrutura
EthernetModuleRegs que cont´em a configura¸c˜ao desejada deve ser passada como
parˆametro. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A
fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool ConfigureLoggingRegisters(IP, LOGRegs) - permite a configura¸c˜ao
dos parˆametros de logging da unidade de processamento. A estrutura LO-
GRegs que cont´em a configura¸c˜ao desejada deve ser passada como parˆametro.
O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A fun¸c˜ao retorna
verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool ConfigureLoggingChannels(IP, LOGChannelsRegs) - permite a
configura¸c˜ao dos canais de logging da unidade de processamento. A estrutura
LOGChannelsRegs que cont´em a configura¸c˜ao desejada deve ser passada como
parˆametro. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A
fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• bool ConfigureWCRegisters(IP, WCRegs) - permite a configura¸c˜ao dos
parˆametros de funcionamento do modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua da unidade
de processamento. A estrutura WCRegs que cont´em a configura¸c˜ao desejada
deve ser passada como parˆametro. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da
unidade na rede. A fun¸c˜ao retorna verdadeiro se o comando foi bem sucedido,
ou falso caso contr´ario.
E. Descri¸c˜ao dos Webservices do Sistema do Concentrador de Dados 126
• bool SetAnalogOutputs(IP, AnalogOutRegs) - permite a defini¸c˜ao dos va-
lores das sa´ıdas anal´ogicas da unidade de processamento. A estrutura Analo-
gOutRegs que cont´em os valores desejados deve ser passada como parˆametro. O
parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A fun¸c˜ao retorna
verdadeiro se o comando foi bem sucedido, ou falso caso contr´ario.
• EthernetModuleRegs ReadEthernetModuleConfiguration(IP) - permite
a leitura dos parˆametros de configura¸c˜ao de rede da unidade de processamento.
O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A fun¸c˜ao retorna
a estrutura EthernetModuleRegs com os parˆametros lidos da unidade de proces-
samento.
• AQRegs ReadAquisitionConfigurationRegisters(IP) - permite a leitura
dos parˆametros de configura¸c˜ao de aquisi¸c˜ao da unidade de processamento. O
parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A fun¸c˜ao retorna a
estrutura AQRegs com os parˆametros lidos da unidade de processamento.
• AnalogOutRegs ReadAnalogOutConfigurationRegisters(IP) - permite a
leitura dos parˆametros de configura¸c˜ao das sa´ıdas anal´ogicas da unidade de pro-
cessamento. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A
fun¸c˜ao retorna a estrutura AnalogOutRegs com os parˆametros lidos da unidade
de processamento.
• DigitalOutRegs ReadDigitalOutConfigurationRegisters(IP) - permite a
leitura dos parˆametros de configura¸c˜ao das sa´ıdas digitais da unidade de pro-
cessamento. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A
fun¸c˜ao retorna a estrutura DigitalOutRegs com os parˆametros lidos da unidade
de processamento.
• LOGChannelsRegs ReadLoggingChannelsRegisters(IP) - permite a lei-
tura dos parˆametros da configura¸c˜ao de canais de logging habilitados da unidade
de processamento. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede.
A fun¸c˜ao retorna a estrutura LOGChannelsRegs que cont´em a configura¸c˜ao de
canais de logging habilitados da unidade de processamento.
• LOGRegs ReadLoggingConfigurationRegisters(IP) - permite a leitura
dos parˆametros de configura¸c˜ao de logging da unidade de processamento. O
parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede. A fun¸c˜ao retorna a
estrutura LOGRegs com os parˆametros lidos da unidade de processamento.
• WCRegs ReadWCConfigurationRegisters(IP) - permite a leitura dos
parˆametros de funcionamento do modo medidor de fra¸c˜ao de ´agua da unidade
de processamento. O parˆametro IP corresponde ao endere¸co da unidade na rede.
E. Descri¸c˜ao dos Webservices do Sistema do Concentrador de Dados 127
A fun¸c˜ao retorna a estrutura WCRegs com os parˆametros lidos da unidade de
processamento.
E.2 Estruturas de Dados do Webservices
Abaixo s˜ao listadas todas as estruturas de dados utilizadas no servi¸co de Webser-
vices do concentrador de dados.
HWTNode[32] HWList
struct HWTNode
{
String IP;
String ID;
String DESC;
byte TYPE;
}
struct EthernetModuleRegs
{
bool DHCP;
int TYPE;
String ID;
String DESC;
String IP;
String MASK;
String GATEWAY;
}
struct AQRegs
{
ushort AQ_FREQ;
ushort AQ_CHANNELS;
ushort AQ_OVERSAMPLIG;
}
struct AnalogOutRegs
{
ushort ANALOG_OUT_1CONF;
E. Descri¸c˜ao dos Webservices do Sistema do Concentrador de Dados 128
ushort ANALOG_OUT_1VALUE;
ushort ANALOG_OUT_2CONF;
ushort ANALOG_OUT_2VALUE;
ushort ANALOG_OUT_3CONF;
ushort ANALOG_OUT_3VALUE;
ushort ANALOG_OUT_4CONF;
ushort ANALOG_OUT_4VALUE;
}
struct WCRegs
{
ushort WC_MODE;
ushort WC_FREQ_MIN;
ushort WC_FREQ_MAX;
ushort WC_STEP_NAQ;
ushort WC_STEP_SIZE;
ushort WC_INTER_STEP;
ushort WC_AQ_FREQ;
ushort WC_AQ_OVERSAMPLING;
}
struct DigitalOutRegs
{
ushort DIGITAL_OUT_1CONF;
ushort DIGITAL_OUT_2CONF;
ushort DIGITAL_OUT_1VALUE;
ushort DIGITAL_OUT_2VALUE;
}
struct LOGChannelsRegs
{
ushort LOG_AQ_CHANNELS;
ushort LOG_ANALOG_OUT_CHANNELS;
}
struct LOGRegs
{
ushort LOG_CONF;
ushort LOG_FREQ;
String REMOTE_IP;
ushort REMOTE_PORT;
E. Descri¸c˜ao dos Webservices do Sistema do Concentrador de Dados 129
}
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