Controlador de temperatura para célula de medição de propriedades de líquidos por ultrassom

Abstract

Temperature control systems are required in several industry and scientific research areas. This work proposes a liquid temperature control system applied to an ultrasonic mea- surement cell for liquids. The control system requires a maximum steady state deviation of 0,01 ◦ C. Thermoelectric coolers (TEC) work as thermal actuators with H bridge power circuits to pump heat to or from the object of interest. Resistive temperature detectors (RTD) are used in this work, which are linear and widely used in the industry as temperature measurement reference. A proportional, integral and derivative (PID) digital controller is tuned using relay feedback identification with direct tuning methods, such as Ziegler-Nichols’. To improve the results a fine tuning is implemented from the parameters estimated by the direct methods. A PID controller capable of achieving the 0,01◦ C maximum variation goal is implemented. With this low steady-state oscilation it is possible to measure phase velocity of ultrassound waves in distilled water with maximum variation of 0,05 m/s around the mean value.

Sistemas de controle de temperatura são necessários em diversos setores da indústria e pesquisa científica. Neste trabalho propõe-se um sistema de controle de temperatura para líquidos, que será utilizado em uma célula de medição de propriedades de líquidos por ultrassom. O sistema de controle tem como requisito atingir uma variação máxima de 0,01 ◦C em regime permanente. Os atuadores térmicos empregados são células de efeito Peltier e utilizam-se circuitos de potência do tipo ponte H para injetar ou retirar calor do objeto de interesse. São utilizados sensores de temperatura do tipo resistivos (RTDs), que são lineares e muito utilizados na indústria como referência para medição de temperatura. É utilizado um controlador proporcional, integral e derivativo (PID) digital, sintonizado a partir de um experimento em que o sistema é realimentado através de um controlador do tipo relé. A partir dos resultados desse experimento utilizam-se métodos diretos, como o de Ziegler-Nichols, para a sintonização dos coeficientes. Em seguida um ajuste fino é feito a partir dos coeficientes gerados por esses métodos. Um controlador PID capaz de atingir as meta de variação máxima de 0,01 ◦C é implementado. Com essa baixa oscilação no regime permanente concluiu-se que é possível realizar medidas de velocidade de fase de ondas de ultrassom propagando-se em água destilada com variação máxima de 0,05 m/s em torno do valor médio.