Publicação: Criostato para condicionamento térmico de corpos de prova para ensaios charpy miniaturizados
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CNPQ::OUTROS::ENGENHARIA MECATRONICA
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Resumo
Os ensaios Charpy miniaturizados tornam-se indispensáveis em situações nas quais a caracterização de materiais é limitada pela impossibilidade de se retirar corpos de prova em dimensões convencionais, devido a restrições físicas ou à quantidade reduzida de material disponível. Contudo, um dos principais desafios associados a esse tipo de ensaio é a ausência de equipamentos capazes de realizar o condicionamento térmico dos corpos de prova em toda a faixa de temperaturas requerida. Neste contexto, esse trabalho envolve o desenvolvimento de um criostato de fluxo contínuo para ensaios em uma amplitude de temperatura de -190 [°C] a 150 [°C]. O equipamento desenvolvido consiste em uma cápsula de alumínio, na qual circula nitrogênio líquido, e controla-se a potência fornecida a aquecedores elétricos. Para a realização do condicionamento térmico, foi implementado um sistema de controle em malha fechada, voltado a levar a temperatura medida da cápsula ao entorno da temperatura de referência definida pelo operador. Devido as exigências impostas pelas normas ASTM E23 e ISO 148, durante o desenvolvimento do equipamento, foi necessária a utilização de técnicas como simulação por elementos finitos e a seleção cuidadosa de materiais como Celeron para suportar a ampla faixa de temperatura. O trabalho também envolveu todo o projeto elétrico e eletrônico para controle da potência fornecida aos aquecedores, medição da temperatura da cápsula, interface com o operador, além do projeto do sistema de controle propriamente dito. Ademais, também é mostrado o software embarcado que foi desenvolvido com capacidade de comunicação via MQTT para funcionamento remoto, além de atender requisitos de tempo real. O sistema todo é controlado por um ESP32 que aplica um controlador Proporcional Integrativo (PI) juntamente com outras técnicas de controle como escalonamento de ganho, feed-forward e clamping. No documento, são apresentadas todas as etapas de desenvolvimento, bem como verificações e análises do comportamento real do sistema. Resultados em simulação e experimentais mostram que a solução concebida é capaz de condicionar termicamente os CPs em torno da temperatura de referência. O maior erro médio após 5 minutos de ensaio em condições criogênicas foi de 0,19 [°C] e uma variância de apenas [0,01 °C]. Esses resultados evidenciam a capacidade do equipamento em materializar quaisquer temperaturas dentro da faixa descrita.
Abstract
Palavras-chave
Criostato de fluxo contínuo, Escalonamento de ganhos, MQTT, Ensaio Charpy, Controle em malha fechada
Citação
ALVES, Artur Martins. Criostato para condicionamento térmico de Corpos de prova para ensaios charpy miniaturizados. 2025. 59 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecatrônica) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025.