Este documento descreve um sistema de aquisição de dados desenvolvido para aplicação em processos de soldagem no laboratório de soldagem da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). O sistema, chamado SAP-4, utiliza uma placa de aquisição baseada no microcontrolador LPC2148 da Philips e permite adquirir sinais relacionados aos processos de soldagem de forma portátil para análise no laboratório e na indústria.

1. UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA – UFSC
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEEL
CENTRO TECNOLÓGICO – CTC
CAMPUS UNIVERSITÁRIO - TRINDADE - CEP 88040-900
FLORIANÓPOLIS - SANTA CATARINA
Sistema de Aquisição de Dados
aplicado à Soldagem
Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
como requisito para a aprovação da disciplina:
EEL 7080 – Seminários de Engenharia Elétrica
Alexandre Blum Weingartner
Florianópolis, junho de 2010.

2. Sistema de Aquisição de Dados aplicado à Soldagem
Alexandre Blum Weingartner
Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina
EEL 7080: Seminários de Engenharia Elétrica
e aprovada na sua forma final pelo
Curso de Engenharia Elétrica
Banca Examinadora:
Prof. Jorge Coelho
Responsável pela disciplina
Prof. Jorge Coelho, Avaliador
1

3. Resumo
Sistemas de aquisição de dados são ferramentas fundamentais para análise
dos processos de soldagem, tanto para ensino e pesquisa, como para
acompanhamento dos processos produtivos da indústria. O laboratório de soldagem
da UFSC, conhecido por sua característica pioneira no Brasil em desenvolver
equipamentos voltados à tecnologia da soldagem, tais como fontes e dispositivos de
automatização e instrumentação, implementou um sistema de aquisição de sinais
voltado às necessidades internas do laboratório e também de aplicação direta na
indústria, o SAP-4 (Sistema de Aquisição Portátil). A placa de aquisição comporta o
microcontrolador LPC2148 da Philips, que teve seu software desenvolvido para ser
totalmente dedicado à aquisição de dados, deixando o aplicativo em Windows
encarregado pela manipulação e apresentação dos dados ao usuário. Um dos
fatores para a escolha deste componente é a sua estrutura ARM, que é uma
tecnologia de microcontroladores de baixo consumo de energia, alto desempenho e
está amplamente difundida no mercado de dispositivos embarcados da atualidade.
Atualmente
se
encontra
em
plena
utilização
por
diferentes
linhas
de
desenvolvimento do laboratório, sendo ferramenta fundamental de apoio a estudos
acadêmicos e tecnológicos. Os avanços alcançados pelo mesmo permitem que se
explore de forma mais contundente as propriedades de cada processo de soldagem.
2

4. Abstract
Data acquisition systems are fundamental tools for welding processes
analysis, both for teaching and research, but also for monitoring production
processes in the industry. The welding lab at UFSC, known for its feature pioneered
in Brazil in developing equipment focused on welding technology, such as welding
sources and automation devices and instrumentation, implemented a data
acquisition system for internal needs and also applies directly in the industry, SAP-4
(Portable Acquisition System). The acquisition board comprises the LPC2148
microcontroller from Philips, which firmware is fully dedicated to data acquisition,
leaving the application in Windows responsible for handling and presentation of data
to the user. One reason for the choice of this component is its structure ARM, which
is a microcontroller technology of low power consumption, high performance and is
widespread in the market for embedded devices today. This system is currently in
full use by different lines of development of the laboratory and is a fundamental tool
for academic studies support and technology. The advances made by the system
allows the researcher to explore a major way the properties of each welding process.
3

5. Sumário
Resumo ............................................................................................................ 2
Abstract ............................................................................................................ 3
Simbologia ........................................................................................................ 6
Capítulo 1: Introdução ...................................................................................... 7
Capítulo 2: Aquisição de dados ........................................................................ 8
2.1: Definição ................................................................................................ 8
2.2: Elementos funcionais de um sistema de aquisição ............................... 9
2.2.1
Transdutor ......................................................................................... 9
2.2.2
Tratamento do sinal ........................................................................ 10
2.2.3
Placa de aquisição de dados .......................................................... 11
2.2.4
Comunicação entre a placa de aquisição e o PC ........................... 12
2.2.5
Programa de aquisição de dados ................................................... 12
2.2.6
O computador ................................................................................. 13
Capítulo 3: Soldagem ..................................................................................... 14
3.1: Definição .............................................................................................. 14
3.2: Tipos de soldagem e classificação dos processos .............................. 15
3.3: Processos de soldagem a arco voltaico .............................................. 15
3.3.1
Eletrodo revestido ........................................................................... 16
3.3.2
MIG/MAG ........................................................................................ 17
3.3.3
TIG .................................................................................................. 19
3.3.4
Plasma ............................................................................................ 19
3.4: Laboratório de Soldagem da UFSC ..................................................... 21
Capítulo 4: Sistema de aquisição de dados na Soldagem ............................. 22
4

6. 4.1
Grandezas físicas de interesse .......................................................... 24
4.2
Transdutores ...................................................................................... 25
4.3
Requisitos de Hardware ..................................................................... 26
4.4
Requisitos de Software ...................................................................... 27
4.5
Idealização do sistema de aquisição baseado em PC ....................... 27
4.6
Ferramentas de desenvolvimento ...................................................... 28
Capítulo 5: Resultados ................................................................................... 32
Capítulo 6: Conclusões .................................................................................. 34
Bibliografia:..................................................................................................... 35
ANEXO I ....................................................................................................... 355
5

7. Simbologia
PC – Computador pessoal
CAD – Conversor Analógico-Digital
CDA – Conversor Digital-Analógico
USB – Universal Serial Bus
UTS – Unidade de Tratamento de Sinal
Rc – Resistência dos cabos
Lc – Indutância dos cabos
Is – Corrente de soldagem
JTAG – Joint Test Action Group
ARM – Máquina RISC Avançada
RISC – Computador com Conjunto Reduzido de Instruções
IDE – Ambiente de Desenvolvimento Integrado
RAD – Desenvolvimento Rápido de Aplicações
API – Interface de Desenvolvimento de Aplicação
6

8. Capítulo 1: Introdução
Quando não se conhece não se pode dar valor e nem se pode melhorar.
Como na vida, na tecnologia acontece o mesmo. Assim também nos processos de
soldagem. É necessário conhecê-los para adaptá-los e melhorá-los. Por esta razão,
o objetivo deste trabalho foi a realização de um sistema de aquisição de dados para
soldagem.
Este trabalho foi muito importante para a reforçar na prática o que foi visto na
teoria em algumas disciplinas no decorrer da graduação.
Para a devida compreensão de como foi a realização do sistema em questão,
há primeiro uma explanação do que vem a ser aquisição de dados, depois uma
introdução à soldagem e uma apresentação do local onde o trabalho foi realizado.
Na seqüência é abordada a idealização de um sistema de aquisição de
dados para soldagem baseado em PC, falando das grandezas envolvidas na
soldagem e dos requisitos de projeto, bem como as ferramentas utilizadas e os
resultados obtidos.
7

9. Capítulo 2: Aquisição de dados
Atualmente o computador, pessoal ou industrial, é a plataforma mais utilizada
para o desenvolvimento de sistemas de aquisição, processamento e tratamento de
dados bem como o controlo de sistemas. Entre as principais razões para a sua
popularidade pode-se destacar o baixo custo, a flexibilidade, a facilidade de
utilização e o seu desempenho.
Os sistemas de aquisição de dados através dos computadores permitem a
visualização e armazenamento de diversas grandezas tais como pressão,
movimento e temperatura.
Até o aparecimento dos computadores, a aquisição de dados e monitorização
de processos era efetuado através de sistemas de armazenamento específicos ou
controladores lógicos programáveis. Hoje em dia, através do recurso de diversos
softwares é possível criar ambientes de trabalho bastante atrativos em diversos
tipos de aplicações, tais como: aplicações laboratoriais de aquisição de dados e
controle de processos, controle de processos industriais, monitoramento de
condições ambientais e medições em geral. Assim, é possível construir sistemas de
aquisição de dados adaptados especificamente às necessidades de cada
laboratório, obtendo-se um sistema personalizado e economicamente vantajoso.
Neste capítulo é feita uma abordagem acerca dos fundamentos básicos dos
sistemas de aquisição de dados.
2.1: Definição
A aquisição de dados, baseado em computadores pessoais (PC) ou
industriais, é o processo pelo qual um fenômeno físico real é transformado em sinal
elétrico proporcional e convertido em formato digital para posterior visualização,
armazenamento, processamento e análise.
8

10. 2.2: Elementos funcionais de um sistema de aquisição
A figura 1 apresenta os elementos funcionais de um sistema de aquisição.
Nela estão indicados os transdutores, o condicionamento de sinal, a placa de
aquisição, o computador e o software de aquisição. Cada elemento funcional afeta a
exatidão do sistema total de medição e a correta coleta dos dados do processo
físico que se pretende monitorar. A seguir, é abordado de forma sucinta as
principais funções de cada um destes elementos.
Figura 1 – Diagrama funcional de um sistema de aquisição baseado em PC
2.2.1 Transdutor
Os sensores e transdutores fornecem a ligação direta entre o mundo real e o
sistema de aquisição de dados convertendo sinais de grandezas físicas em sinais
elétricos (tensão ou corrente) apropriados para os condicionadores de sinais e/ou
os equipamento de aquisição de dados.
9

11. Atualmente, existem praticamente transdutores disponíveis para a medição
de todas as grandezas físicas existentes.
Por exemplo: para a medição de temperaturas existem os termopares, as
termoresistências, termistores e a junção de semi-condutores, que convertem a
temperatura do meio com o qual estão em contato num sinal analógico proporcional;
para a medição de tensões, existem as células de carga; para a medição de
pressão, existem diversos tipos de transdutores de pressão.
Em todos eles, o sinal elétrico produzido é proporcional à quantidade física
que se pretende medir de acordo com uma relação prévia estabelecida, existindo
diversas gamas quer em termos do seu campo de medida, quer da amplitude do
sinal de saída, sensibilidade, estabilidade e linearidade.
Existem sensores intrusivos e não intrusivos, ou seja, aqueles que interferem
com o meio de medida e os que não interferem com o meio de medida,
respectivamente.
Figura 2 – Esquema de um transdutor
2.2.2 Tratamento do sinal
Os sinais elétricos gerados nos sensores e transdutores muitas vezes
necessitam ser convertidos em uma forma apropriada para o equipamento de
aquisição, particularmente para o conversor analógico-digital (CAD), que realiza
uma amostragem dos sinais, ou seja, transforma sinais contínuos no tempo em
sinais discretos digitais que podem ser processados e armazenados pelos
computadores. O condicionamento de sinal também é o elemento funcional
responsável pela alimentação de energia, essencial para que muitos transdutores
possam operar.
10

12. As
principais
tarefas
do
condicionamento
de
sinal
são:
filtragem,
amplificação, linearização, isolamento e alimentação.
A figura 3 apresenta um exemplo de condicionamento de sinal consistindo na
amplificação do sinal elétrico original e sua filtragem para eliminar o ruído elétrico.
Figura 3 – Exemplo de condicionamento de sinal: amplificação e filtragem
2.2.3 Placa de aquisição de dados
O hardware de medição é o responsável pelas entradas e saídas de sinais no
processo de medida. Assim, ele pode executar qualquer uma das seguintes
funções:
 entrada, processamento e conversão para o formato digital, usando
conversores digitais (CAD), de sinais analógicos provenientes do meio de medição.
Os dados após convertidos são transferidos para o computador para visualização,
armazenamento ou análise;
 entrada de sinais digitais que contêm informação acerca de um sistema ou
processo;
 processamento,
conversão
para
um
formato
analógico,
utilizando
conversores analógicos (CDA) de sinais digitais do computador para controle de
processos;
 saída de sinais de controlo digitais.
Sistemas de aquisição de dados existem em diversas plataformas
provenientes de diversos fabricantes podendo dividir-se em placas de inserção que
são ligadas diretamente no interior dos computadores e sistemas exteriores de
comunicação. Na opção entre estes tipos de equipamentos existem vantagens e
11

13. desvantagens, sendo a sua seleção feita com base em diversos parâmetros, tais
como: capacidade de expansão, ruído elétrico, preço, taxas de aquisição
pretendidas e possibilidade de configurar individualmente cada sinal.
2.2.4 Comunicação entre a placa de aquisição e o PC
Quando a unidade de tratamento de sinal e/ou o sistema de aquisição são
fisicamente afastados do computador, cabos são vulgarmente designados como
cabos de comunicação tal como sucede na comunicação RS-232, RS-485, USB,
entre outros.
Em muitos dos sistemas de aquisição de dados, esta comunicação, que é
feita através dos cabos, pode tornar o sistema sensível a ruído externo. Este
componente passivo dos sistemas de aquisição é muitas vezes negligenciado
durante o desenvolvimento dos sistemas, tornando-se uma importante fonte de erro
e incerteza.
2.2.5 Programa de aquisição de dados
O equipamento de aquisição de dados não funciona sem software, pois é o
software que transforma o sistema numa aquisição completa de dados, visualização
e manipulação dos dados.
As aplicações desenvolvidas são executadas no computador sobre um
sistema operacional que pode permitir que apenas uma aplicação seja executada
independentemente como é o DOS, ou em sistemas operacionais como o MSWindows, Unix e OS2, que permitem mais do que uma aplicação seja executada
simultaneamente (multithread).
12

14. 2.2.6 O computador
O computador utilizado pode influenciar de modo preponderante na
velocidade à qual se pretende adquirir os dados e como tal a precisão,
processamento e armazenamento dos dados.
Existem diversos fatores na arquitetura do computador que afetam os
parâmetros referidos anteriormente, tais como o tipo de processador, as placas de
expansão disponíveis (ISA ou PCI), tempo de acesso ao disco rígido, utilização de
Acesso Directo à Memória, entre outros. Estes tornam-se extremamente relevantes
quando se pretendem efetuar leituras com elevada transferência de dados.
13

15. Capítulo 3: Soldagem
A palavra “soldagem” designa a ação de unir peças, e o vocábulo “solda” o
resultado ou produto de uma operação. A técnica de “soldagem” destina-se à
adesão de duas ou mais partes, de maneira a assegurar a continuidade entre elas
preservando as características mecânicas e químicas dos materiais de cada parte.
Por volta de 2000 a.C o advento do ferro representou um passo de grande
importância para a metalurgia. E um dos primeiros processos de soldagem sobre o
qual se tem notícias teria existido em 1300 a.C; ele se daria por meio da utilização
de uma espécie de maçarico soprado pela boca.
No início da Primeira Guerra Mundial, a grande demanda internacional pela
fabricação de produtos metálicos foi um dos fatores determinantes para a
estabilização das indústrias fabricantes de equipamentos a arco elétrico e para o
empenho crescente dessas indústrias rumo ao aprimoramento da técnica e de suas
aplicações.
Muitas derivações da soldagem e corte se apresentaram ao longo dos anos,
assim como novas tecnologias se apresentaram como recursos para fazer frente a
mudanças que se apresentavam em outra materiais.
3.1: Definição
É o processo pelo qual se faz a união localizada de metais ou não-metais,
produzida pelo aquecimento dos materiais a temperatura adequada, com ou sem
aplicação de pressão, ou pela aplicação de pressão apenas, e com ou sem a
utilização de metal de adição. É extremamente utilizado pela indústria mecânica de
grande porte - que produz tubulações, caldeiras, navios, automóveis, vagões,
pontes metálicas, assim como por outros setores também, como o de
eletrodomésticos, eletrônicos, entre outros.
14

16. 3.2: Tipos de soldagem e classificação dos processos
Existem basicamente três tipos de soldagem:
Figura 4 – Tipos de soldagem.
União entre componentes de ângulo (solda de ângulo) - soldagem executada
com 2 ou mais chapas colocadas perpendicularmente entre si formando um ângulo.
Solda topo a topo - soldagem executada com duas ou mais chapas colocadas
sobre o mesmo plano.
Revestimento - soldagem executada no metal de base com finalidade de
deixar o material resistente ao desgaste e a corrosão.
A classificação dos processos de soldagem segundo a American Welding
Society (AWS - organização fundada em 1961 e hoje conhecida mundialmente) está
no Anexo I.
3.3: Processos de soldagem a arco voltaico
Antigamente definia-se soldagem como a “junção dos metais por fusão”, mas
com o desenvolvimento de novos processos e materiais, nem a fusão e nem os
metais soldáveis são essenciais na soldagem. O conceito atual de soldagem é
baseado apenas na união de peças, assegurando na junta, a continuidade das
15

17. propriedades físicas e químicas. Normalmente as peças a serem soldadas são
referenciadas como “material de base” e o material que preenche folgas de junta é
chamado de “material de adição”.
Para ocorrer a soldagem, é preciso transferir energia para a zona da junta do
material de base. Com metais, isso normalmente é feito com laser, fogo ou arco
voltaico (ou arco elétrico). Esta última forma é a principal utilizada pelo LABSOLDA.
Os fenômenos bastante irregulares que ocorrem em arcos elétricos são
dependentes de muitos fatores e são temas de muitas pesquisas no mundo da
soldagem.
Arcos voltaicos são estabelecidos por meio de um circuito elétrico que é
fechado no momento em que o eletrodo encosta no material de base. Ambos, o
eletrodo e o material de base, ficam conectados à fonte de soldagem, responsável
por controlar a corrente do circuito. Ao provocar o curto-circuito, o eletrodo é
afastado do material de base até uma certa altura, estabelecendo-se, assim, com
atmosferas apropriadas, uma corrente envolvida por um meio ionizado, a qual é
responsável pela focalização de energia sobre a região a ser soldada.
Figura 5 – Circuito típico de soldagem à arco simplificado.
Os principais processos de soldagem são descritos a seguir.
3.3.1 Eletrodo revestido
A soldagem a arco com eletrodo revestido (shielded metal arc welding SMAW) é o processo que produz a junção entre metais pelo aquecimento e fusão
16

18. destes com um arco elétrico estabelecido entre a ponta de um eletrodo revestido e a
superfície do metal de base na junta que está sendo soldada.
Os revestimentos variam de um eletrodo para o outro, mas possuem algumas
características semelhantes, tais como: isolante, ajuda na deposição do metal,
possui elementos de liga, produz escória para proteção da solda do hidrogênio
contido na atmosfera, etc.
Cada eletrodo deve conter sua classificação marcada no revestimento para
que o soldador identifique-o com facilidade. Cada dígito da classificação nos
oferece uma informação como na figura a seguir.
Figura 6 – Códigos dos eletrodos.
3.3.2 MIG/MAG
A soldagem MIG/MAG, no inglês gas metal arc welding – GMAW, é o
processo de soldagem a arco elétrico com eletrodo consumível sob proteção
gasosa, que utiliza como eletrodo um arame maciço e como proteção gasosa um
gás inerte (MIG) ou um gás ativo (MAG).
Observando a figura 7 nota-se que neste processo o arame-eletrodo não
possui revestimento. Isso se dá por conta do gás de proteção, que tem a função de
proteger a poça de fusão do ar atmosférico exercendo uma das funções do
revestimento. A pistola (fig. 8) contém um cabo para conduzir a corrente elétrica ,
um conduíte para a passagem do arame-eletrodo, e um tubo para conduzir o gás.
17

19. Figura 7 – Processo de soldagem MIG/MAG.
Figura 8 – Pistola típica do MIG/MAG.
A grande vantagem da soldagem pelo processo Mig-Mag é sua alta
produtividade devido ao arame-eletrodo estar em forma de rolo, o que acaba
ajudando na quantidade de metal depositado sem intervalos.
Os gases inertes (Argônio, Hélio, etc.) têm a função somente de proteger a
poça de fusão, enquanto que os gases ativos (Oxigênio, Dióxido de Carbono, etc.)
já influenciam na soldagem.
18

20. 3.3.3 TIG
A soldagem TIG (gas tungsten arc welding - GTAW) é o processo a arco
elétrico com eletrodo não consumível de tungstênio ou liga de tungstênio sob
proteção gasosa de gás inerte ou misturas de gases inertes.
Figura 9 – Processo de soldagem TIG.
A soldagem pelo processo TIG geralmente é executada em tubulações
devido a sua ótima penetração. Já por outro lado, sua desvantagem é a baixa
deposição de material, o que acaba prolongando o tempo de soldagem.
3.3.4 Plasma
A soldagem a arco plasma (Plasma Arc Welding - PAW) é extremamente
idêntico ao processo TIG. Ambos utilizam eletrodos de tungstênio e gases inertes. A
diferença evidente entre os dois processos aparece na tocha de soldagem (fig. 10).
Enquanto a tocha de soldagem TIG evidencia o eletrodo de tungstênio para fora do
bocal de gás de proteção, a tocha para o processo plasma esconde o eletrodo de
tungstênio dentro de um bocal de cobre. Assim, no processo plasma é impossível se
formar um arco voltaico pelo estabelecimento de um curto circuito direto entre o
eletrodo de tungstênio e a peça.
19

21. Figura 10 – Diferenciação básica entre os processos TIG e Plasma.
Neste caso, há a necessidade de um sistema de alta tensão em alta
freqüência (ligado entre o bico constrictor e o eletrodo) para romper o dielétrico do
gás que flui na câmara interna, formando um ambiente ionizado. Uma fonte de
energia, sempre de corrente contínua, é também sempre conectada entre o eletrodo
de tungstênio e o bocal de cobre, a qual estabelece um arco voltaico entre estes
dois elementos. Este arco gerado entre os elementos citados é o responsável pela
produção contínua de plasma, o qual sai pelo bico de cobre, forçado pelo gás que
flui através do que se pode chamar de câmara de ionização. Este sistema de
soldagem é chamado de processo plasma com arco não transferido, o qual pode ser
utilizado até para a soldagem de peças não condutoras de eletricidade.
Entretanto, a versão mais comum do processo plasma é a que
fundamentalmente não depende deste arco entre eletrodo e bico de cobre para
gerar calor para a soldagem. O referido arco, que nesta versão é sempre de
pequena potência (correntes menores que 15A), é chamado de arco piloto e serve
como elemento de ponte para formar um outro arco, dito principal, o qual é
estabelecido entre o eletrodo de tungstênio e a peça-obra. Se este arco principal é
de corrente contínua, o arco piloto não precisará ficar aceso durante a soldagem.
Entretanto, se o arco principal for de corrente alternada, o arco piloto tem de ficar
20

22. aceso para manter a ionização durante as inversões de polaridade do arco
principal.
A causa de várias vantagens do processo plasma em relação ao processo
TIG é a maior concentração de calor obtida.
3.4: Laboratório de Soldagem da UFSC
O presente trabalho foi realizado no laboratório de soldagem (LABSOLDA),
localizado na Universidade Federal de Santa Catarina. O laboratório foi criado em
1973 a partir de um convênio entre o hoje chamado Forschungszentrum na
Alemanha e o CNPq. Naquela época, havia alguns equipamentos de soldagem que
consistiam de uma fonte MIG, uma TIG, uma de solda ponto e dois conversores
rotativos de soldagem.
O LABSOLDA sempre trabalhou processos de soldagem a arco voltaico.
Alguns desses processos, como exemplo, são o eletrodo-revestido, o MIG, o TIG e
o Plasma. O laboratório possui as próprias fontes de soldagem e periféricos, tudo
criado por pessoas que estiveram ou que ainda estão lá.
O desenvolvimento de instrumentação no LABSOLDA começou em 1987 com
a necessidade de criação de uma bancada de ensaios para soldagem MIG. Dois
anos depois, esses equipamentos começaram a ser reproduzidos de forma modular.
Era necessário produzir isso porque as pesquisas de processos de soldagem no
laboratório atingiram um patamar que os equipamentos industriais da época não
suportavam.
O laboratório é um local de pesquisa plural, gerando oportunidade de
complementação acadêmica para alunos das áreas de mecânica, elétrica, materiais,
automação, computação e outras.
21

23. Capítulo 4: Sistema de aquisição de dados na Soldagem
A necessidade de aumento da produtividade e de uma repetibilidade de
qualidade conduz a indústria a substituir as pessoas por máquinas em muitos tipos
de tarefas. Entretanto, é muito difícil dotar as máquinas com as mesmas habilidades
de um ser humano, pois este, ao executar qualquer tarefa, o faz de forma
realimentada, praticando ações de controle pela sua observação e atuação. Então,
para aumentar a eficácia da automatização, torna-se necessário conhecer a
natureza dos fenômenos físicos envolvidos nos processos de fabricação. Para
tanto, o sistema de aquisição de dados é uma ferramenta indispensável a qualquer
pesquisa desses fenômenos.
O presente trabalho, o desenvolvimento de um sistema voltado a fazer a
análise das variáveis envolvidas na transferência metálica, permite e agiliza as
pesquisas relativas aos fenômenos e processos de soldagem. Medindo-se a tensão
do arco, é possível saber, por exemplo, o momento em que uma gota metálica de
eletrodo está se desprendendo rumo ao material de base, se for o caso.
Para maior entendimento, pode-se mencionar o MIG (fig. 11): um processo
de soldagem bastante comum na indústria e bem elaborado, onde muitos desses
fenômenos goticulares ocorrem. É um processo caracterizado principalmente pela
fusão do material de base ao mesmo tempo em que o eletrodo, em forma de arame,
é continuamente mergulhado na poça de fusão para formar o chamado cordão de
solda.
Figura 11 – Esboço do processo MIG
22

24. O MIG Pulsado é uma variação do MIG convencional, onde, na sua forma
mais simples, dois valores de corrente são utilizados. Um mais alto, na ordem de
300A, e outro mais baixo, próximo a valores de 40A (fig. 12). Isso é feito porque o
MIG convencional normalmente é aplicado com correntes realmente altas e
constantes e isso faz com que seja necessário gastar muita energia. Com o MIG
Pulsado, a transferência globular ocorre principalmente na fase de pulso, enquanto
na fase de base, mantém-se o calor e o arco ligado. Com isso, a potência eficaz
nesse processo é menor em relação ao convencional e com resultados muito bons
para a soldagem.
Figura 12 – Corrente e tensão no MIG Pulsado
Supondo-se que o desejo seja medir e analisar a tensão ao longo do tempo
no processo MIG Pulsado. Para isso, um sistema de aquisição é crucial, pois
normalmente as fases de pulso e de base compõem períodos de 10 ms a 40 ms.
Além disso, os programas de um sistema de aquisição normalmente
permitem guardar e exportar os registros gráficos dessas medições. Os gráficos da
figura anterior mostram trechos de aquisições realizadas com o sistema de
aquisição em questão durante uma soldagem MIG Pulsado.
23

25. 4.1
Grandezas físicas de interesse
No sistema de aquisição para soldagem, como em qualquer outro, faz-se
necessário à determinação da natureza das variáveis envolvidas, o comportamento
dinâmico das mesmas e os erros máximos permitidos, para que se possa especificálo de forma correta. Abaixo é ilustrada uma típica bancada de soldagem.
Figura 13 – Bancada de soldagem e as grandezas físicas de interesse
Como mostra a figura, as principais variáveis são: i e V que representam a
corrente e a tensão elétrica, supridas pela fonte de soldagem; A variável Va que
representa a velocidade de adição do arame-eletrodo durante a soldagem e Vz que
representa a vazão do gás de proteção da poça de fusão.
Conforme as especificações definidas para o sistema, é necessário o
emprego de diferentes tipos de transdutores, unidades de tratamento de sinal (UTS)
e interfaces. A escolha de um ou outro dependerá de vários aspectos, tais como:
sensibilidade,
precisão,
estabilidade,
dinâmica,
faixa
de
medição,
erros,
complexidade exigida da UTS para adequar o sinal que o transdutor produz, entre
outras características.
Abaixo segue a descrição dos transdutores que foram utilizados neste
trabalho para a aquisição das variáveis supracitadas.
24

26. 4.2
Transdutores
 Transdutor de Efeito Hall para corrente: é um dispositivo que pode ser
utilizado, tanto para medir corrente alternada, como contínua. O mesmo possui uma
resposta dinâmica excelente para aplicações em soldagem e ainda fornece sinal de
saída isolado. Os transdutores comerciais possuem erros bastante aceitáveis para
aplicação em soldagem, na ordem de 1% do valor medido. Um outro sensor muito
utilizado para medir a corrente de soldagem é o “SHUNT”, que é uma resistência de
baixo valor em série com o circuito da corrente. Entretanto, devido o mesmo gerar
valores de tensão na ordem de milésimos de Volts, os ruídos provocados pelo
chaveamento das fontes de soldagem e variações de tensão devido a sua própria
indutância,
causadas
pela
ondulação
da
corrente
(“ripple”
intrínseco
ao
chaveamento), acabam interferindo no sinal de tensão gerado pelo “SHUNT”[1].
 Disco óptico para medir a velocidade de arame: este gera um sinal digital em
forma de pulsos, com freqüência proporcional à velocidade do arame. Neste tipo de
dispositivo, a resposta dinâmica é proporcional ao número de ranhuras do disco. A
relação entre o valor da grandeza real e valor medido é descontínua e a resolução
depende do número de ranhuras por volta, o mesmo também gera um sinal isolado.
A figura 14 apresenta um dispositivo dessa natureza.
Um outro dispositivo para medir velocidade é o tacogerador, o qual gera um
sinal de tensão analógico de acordo com a velocidade de rotação. Sua principal
vantagem em relação ao disco óptico é a continuidade entre o valor da grandeza
real e o valor medido. Entretanto, este tipo de dispositivo gera uma série de ruídos,
que necessitam de filtragem, que pode prejudicar sua resposta dinâmica. Outras
vantagens do disco óptico são: a não necessidade de conversão do sinal analógico
em digital, pois o sinal já esta na forma digital (0 e 1), a determinação da quantidade
de arame consumido, que é feita através da simples contagem dos pulsos, e a
necessidade de uma UTS mais simples do que a utilizada para o tacogerador. No
caso do tacogerador a determinação da quantidade de arame consumido é mais
complicada pois é obtida integrando-se a velocidade[1].
25

27. Figura 14 – Desenho esquemático do transdutor digital
 Transdutores ópticos para medir vazão de gás: um tipo de transdutor de
vazão de gás, desenvolvido pelo próprio laboratório, é baseado numa turbina. O
princípio de operação é semelhante ao de velocidade de arame. A vazão é obtida
pela identificação do movimento das pás por um sensor óptico, o qual gera pulsos
com uma freqüência proporcional a velocidade de rotação, que é proporcional a
vazão de gás. A vantagem desse dispositivo em relação a outros, destinados a este
fim, é o custo. Uma das principais desvantagens é que o valor da vazão varia com a
pressão, mas isto é inerente a todos os transdutores de vazão volumétrica,
contrastando com aqueles de vazão mássica, mas que são incomparavelmente mais
caros[1].
 Para tensão do arco: não é necessário sensor, pois a grandeza já é um sinal
elétrico. A mesma deve ser medida no ponto mais próximo possível do arco, para se
evitar a queda de tensão (is(t)*Rc) devido à resistência dos cabos (Rc) e a variação
da tensão (Lc*dis(t)/dt) provocada pela indutância (Lc) dos mesmos cabos[1].
4.3
Requisitos de Hardware
A seguir são listados os principais requisitos de hardware:
 Faixas de leitura das grandezas envolvidas:
26

28.  Taxa de aquisição = 5KHz;
 Leitura de 8 canais (I,V,Va,Vz de duas fontes de soldagem);
 Resolução ≥ 8bits;
 Comunicação via USB.
4.4
Requisitos de Software
 Suporte a multithread para receber os dados pela USB, realizar plotagem do
gráficos instantaneamente e ficar livre para a utilização do usuário;
 Oscilogramas de valores instantâneos, médios e eficazes das grandezas em
questão;
 Histogramas de: picos de corrente, picos de tensão, tempos de curto-circuito,
derivadas de subida, derivadas de descida;
 Capacidade de armazenar 80 horas seguidas de aquisição para valores
médios e 100 segundos para valores instantâneos;
 Receber os dados da USB;
 Entre outras funcionalidades
4.5
Idealização do sistema de aquisição baseado em PC
O objetivo deste trabalho foi desenvolver um sistema de aquisição de dados
que se enquadre às novas tendências e exigências do mercado. Para utilização do
sistema operacional mais acessível aos usuários, o MS-Windows, foi preciso tomar
providências em relação à aquisição de dados em tempo real, haja vista sua
interface multitarefa que impede o gerenciamento direto de suas interrupções.
Dessa maneira, utilizou-se o microcontrolador LPC2148 [5] da Philips, que
teve seu software desenvolvido para ser totalmente dedicado à aquisição de dados,
27

29. deixando o sistema operacional encarregado apenas pela manipulação e
apresentação dos dados ao usuário.
Outro fator para escolha deste componente é a sua estrutura ARM, que é
uma tecnologia de microcontroladores de baixo consumo de energia, alto
desempenho e está amplamente difundida no mercado de dispositivos embarcados
da atualidade.
Figura 15 – LPC2148
Este microcontrolador é o que apresenta mais recursos dos derivados da
família LPC21xx da NXP, subsidiária da Philips. Possui CPU ARM7TDMI-S de 16/32
bits operacional à 60MHz. Há disponíveis dois conversores analógico-digitais de 10
bits, 7 canais cada um, totalizando 14 entradas analógicas. Há um conversor digital
analógico de 10 bits. A memória de programa é de 512 kbytes flash e a memória
RAM é de 32 kbytes + 8 kbytes compartilhados com a DMA da USB, se ele for
utilizado. O principal, para este trabalho, é que há hardware interno específico para
a USB, totalmente compatível com a especificação 2.0 em full-speed (12MBits/s).
4.6
Ferramentas de desenvolvimento
A MCB2140 é uma placa voltada para o desenvolvimento de programas para
o LPC2148 fabricada pela Keil. Construída em torno desse microcontrolador, ela
traz a solução pronta para quem deseja desenvolver aplicações sem ter que se
preocupar com possíveis defeitos de hardware caso uma placa tivesse de ser
costruída.
A
placa
inclui,
além
dos
componentes
mínimos
para
operar
o
microcontrolador, periféricos que podem ser aproveitados para testes e depuração
de software. Entre esses componentes, incluem-se aí, duas portas seriais RS-232,
28

30. um alto-falante, um potenciômetro, oito LEDs, uma porta USB, um conector de
cartões SD e um conector para depuradores do núcleo ARM.
Figura 16 – MCB2140
O principal motivo para a utilização da MCB2140 certamente é a presença do
microcontrolador LPC2148. Há outras placas disponíveis comercialmente que
possuem a mesma finalidade da placa da Keil e, inclusive, com o mesmo CI
LPC2148. Alguns exemplos de versões são da IAR, da Olimex e da LabTools, mas
as melhores opções de kits de desenvolvimento a princípio eram da Keil e da IAR. A
última oferece o IAR Kickstart Kit que é um conjunto de ferramentas de
desenvolvimento análogo ao da Keil. Ambos acompanham, além da placa, softwares
de exemplo e um depurador JTAG.
Para desenvolver o firmware do LPC2148 foi utilizado o Keil µVision3 [4] (fig.
17). Este programa é um ambiente de desenvolvimento de softwares embarcados
bastante rico em vários aspectos. Há recursos conhecidos, como coloração de
código, verificação de parênteses e chaves e organização de arquivos de projeto. E
há outros mais elaborados, como assistentes de configuração de pinos para vários
CIs e simulação. Infelizmente a IDE tem deficiências para apresentar erros de
código mas o seu uso se justificou porque ela oferece um módulo avançado de
depuração tanto em simulação como em acompanhamento real de execução. Outro
29

31. motivo é a compatibilidade dos exemplos de código com a placa MCB2140, o que
acelerou muito o desenvolvimento.
Figura 17 – Keil µVision3
Juntamente com a placa de desenvolvimento, há um depurador para
acompanhamento de execução do microcontrolador. Chamado de ULINK (fig. 18), o
depurador faz conexão com o LPC2148 através da interface JTAG (Joint Test Action
Group).
Figura 18 – Keil µVision3
O JTAG, o nome usual do padrão IEEE 1149.1, denominado “Standard Test
Access Port and Boundary-Scan Architecture”, antigamente utilizado para realizar
testes de conexões em placas de circuito impresso, hoje também é aplicado em
30

32. circuitos integrados, como o LPC2148, o que permite a depuração acessando-se
diretamente o núcleo da CPU.
Para o desenvolvimento do programa de aquisição de dados no PC, utilizouse o C++ Builder da Embarcadero Technologies [6] (fig. 19).
C++ Builder é um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) na
linguagem C++. O aplicativo inclui ferramentas que permitem desenvolvimento
visual através do recurso "arrastar e soltar", tornando a programação mais simples.
Édirecionado para as plataformas Windows e Linux.
Por ser uma ferramenta tipo RAD (Rappid Application Development), ela
diminui muito o chamado Time To Market, ou seja, o tempo de projeto e concepção
de um produto até a disposição do mesmo para o consumidor final.
Figura 19 – C++ Builder da Embarcadero Technologies
31

33. Capítulo 5: Resultados
A estrutura utilizada para a realização deste trabalho obteve um resultado
excelente. Tanto o hardware como o software desenvolvidos preencheram todos os
requisitos de projeto.
O hardware (fig. 20) condiciona os sinais provenientes dos transdutores,
realiza a coleta dos dados em alta frequência e envia-os em pacotes pela USB.
Desta forma, o sistema ficou compatível com o MS-Windows, totalmente plug-andplay e com uma interface gráfica (fig. 21) altamente intuitiva.
Figura 20 – Placa de aquisição de sinais
32

34. Figura 21 – Programa de aquisição de dados em ambiente Windows
Este sistema foi consolidado como uma plataforma de pesquisa dentro do
LABSOLDA. Atualmente se encontra em plena utilização por diferentes linhas de
desenvolvimento do laboratório, sendo ferramenta fundamental de apoio a estudos
acadêmicos e tecnológicos. Os avanços alcançados pelo mesmo permitem que se
explore de forma mais contundente as propriedades de cada processo de soldagem.
33

35. Capítulo 6: Conclusões
O desenvolvimento de um sistema de aquisição de dados engloba diversos
tópicos de engenharia e física. Primeiro, deve-se conhecer quais as grandezas
físicas envolvidas e os respectivos transdutores. Deve-se ter um conhecimento de
eletrônica para realizar o tratamento e filtragem dos sinais elétricos para posterior
coleta pelos conversores analógico-digitais.
O segundo passo é a transmissão destes dados adquiridos para um PC (no
caso de um sistema de aquisição baseado em PC).
Embora as etapas supracitadas terem sido realizadas por outros membros da
equipe que esteve envolvida neste projeto, muito foi assimilado pelo autor desta
monografia pela constante troca de informação durante todo o projeto. Também, foi
possível observar na prática o que foi visto em teoria em algumas disciplinas como
Eletrônica Aplicada (transdutores, condicionamento e filtragem dos sinais), Sistemas
Lineares (teoria da amostragem) e Materiais Elétricos (transdutores).
A outra etapa é a implementação do aplicativo que tem por objetivo manipular
e apresentar os dados ao usuário. Esta parte foi desenvolvida pelo autor desta
monografia, sempre com a devida orientação.
O requisito básico foi o conhecimento da linguagem C e manipulação de
dados discretos, adquiridos nas disciplinas Computação Científica I e Sinais e
Sistemas Discretos. Porém, para a realização do aplicativo em questão, outros
estudos foram realizados sobre a linguagem de programação C++, a comunicação
USB, o sistema operacional MS-Windows, as bibliotecas do MS-Windows (API),
bibliotecas gráficas e a plataforma de desenvolvimento C++ Builder.
Em suma, muito conhecimento e experiência foram adquiridos na realização
deste trabalho. Pessoalmente, o projeto foi uma realização. O sucesso em cada
etapa da pesquisa e da implementação e a utilidade do trabalho contribuíram ainda
mais para a vontade de alcançar os objetivos.
34

36. Bibliografia:
[1]
GOHR, R, J. Projeto e realização de uma fonte de energia para soldagem
multi-processo. 1992. 160 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia
Mecânica) – Centro Tecnológico, Universidade Federal de Santa Catarina,
1992.
[2]
LOCATELLI, G. Uma ferramenta computacional para o controle de
processos de soldagem a arco. 2007. 160 f. Dissertação (Mestrado em
Engenharia Mecânica) – Centro Tecnológico, Universidade Federal de
Santa Catarina, 2007.
[3]
SILVEIRA, Jader Garcia de. Comunicação USB para sistemas de aquisição.
Florianópolis: UFSC, 2007. 111 p. (Projeto de fim de curso).
[4]
KEIL. http://www.keil.com
[5]
PHILIPS. LPC214x. http://ics.nxp.com/products/lpc2000/lpc214x
[6]
Embarcadero Technologies. http://www.embarcadero.com/products/cbuilder
Sites da internet acessados em junho de 2010.
35

37. ANEXO I
36