Baseado na necessidade de se ter uma linguagem comum entre os profissionais da área de engenharia, conceitos de Instrumentação são propostos, discutidos e generalizados. São definidos: Sistema Termodinâmico, Canal de Medição, Canal de Atuação, Sistema de Medição e/ou Controle. Estes conceitos foram desenvolvidos partindo-se da modernização de uma válvula de fluxo com atuador eletromecânico. No protótipo foram adaptados dois transdutores: um de posição (potenciômetro) e outro de torque (a base de "strain gauges"). O sistema passou a possuir dois Canais de Medição (posição e torque) e um de Atuação (motor elétrico). Um dispositivo eletromecânico (com micro chaves) foi usado para operação manual e segurança. Para o Sistema de Medição e Controle foi construído um hardware (com microcontrolador) e desenvolvido um software. A instrumentação implementada monitora o torque e o movimento do eixo da válvula, as micro-chaves, e gera comandos de acordo com os parâmetros recebidos de uma estação remota. Este trabalho mostra que a adaptação de sistemas industriais de monitoração e controle convencionais em sistemas modernos de instrumentação é tecnicamente vantajosa e de baixo custo. Com as definições e conceitos propostos pretende-se contribuir para a normalização da Instrumentação e a conseqüente compatibilidade de diferentes equipamentos, bem como fazer com que a Instrumentação seja entendida, utilizada e ensinada como uma área do conhecimento aplicada a qualquer ramo da ciência e da tecnologia que a utilize para medir e controlar grandezas físicas. / This study proposes, discusses and generalizes concepts of Thermodynamic System, Measurement Channel, Actuation Channel, Measurement and/or Contrai System and lnstrumentation, based on the need of having a common language among the professionals of the engineering area. These concepts were developed from the up-to-dating of a flow valve with an electromechanical actuator. Two transducers were adapted in the prototype, one of position (potentiometer) and one of torque (with strain gauges ), which caused the system to have two measurement channels (position and torque), and one of actuation (electric motor). An electromechanical device (with micro-switches) was used for security and manual operation. lt was necessary to develop a hardware (with micro-controller) and a software for the measurement and contrai system. The implemented instrumentation monitors the torque and valve position contrai and the micro-switches, as well as generates commands according to the received parameter from a remate station. This study shows that the adaptation of conventional monitor and contrai industrial systems to modern instrumentation systems is technically advantageous and has a low cost. The proposed definitions and concepts represent my contribution to the normalization of instrumentation and to the consequent compatibility among different kinds of equipment. Besides, we want instrumentation to be understood, used and taught as a knowledge area applied to any branch of science and technology where there is the need to measure and contrai physics greatness.

Um novo atuador planar eletromagnético multifase foi investigado. Este tipo de atuador pode ser utilizado em sistemas que requeiram movimento bidirecional sobre o plano como, por exemplo, em máquinas operatrizes industriais. O dispositivo em estudo possui uma armadura plana, estacionária, sem ranhuras e um carro com mobilidade planar. O núcleo da armadura é composto de uma chapa de material ferromagnético macio, em torno da qual estão montados os dois enrolamentos da armadura, que são ortogonais entre si. Cada enrolamento está dividido em seções ou fases. O carro, que possui dois ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético, está mecanicamente conectado a um sistema de suspensão, composto de rolamentos lineares e de trilhos, que permitem o seu deslocamento sobre a superfície da armadura, com dois graus de liberdade. Quando os ímãs permanentes estão localizados sobre as fases do enrolamento da armadura energizado com corrente, uma força eletromagnética planar de propulsão atuará sobre o carro, provocando seu deslocamento paralelamente à superfície da armadura. O atuador planar foi modelado analítica e teoricamente, com vistas a prever seu comportamento estático. O primeiro protótipo construído foi testado com a finalidade de avaliar suas características estáticas de funcionamento e de validar os modelos analítico e numérico. Os valores de densidade de fluxo no entreferro, de força normal e de força planar de propulsão, obtidos através dos ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através dos modelos teóricos Tanto nos modelos teóricos, como no protótipo construído, foram avaliados dois casos distintos: no caso 1 foram utilizados no carro ímãs permanentes de 6,0 mm de comprimento axial e no caso 2, ímãs permanentes de 8,0 mm de comprimento axial. Os testes indicaram que a sensibilidade média do atuador planar para o caso 1 é de 3,61 N/A e para o caso 2 é de 5,37 N/A, quando as duas fases do enrolamento x localizadas sob os ímãs permanentes, foram percorridas por corrente.

Baseado na necessidade de se ter uma linguagem comum entre os profissionais da área de engenharia, conceitos de Instrumentação são propostos, discutidos e generalizados. São definidos: Sistema Termodinâmico, Canal de Medição, Canal de Atuação, Sistema de Medição e/ou Controle. Estes conceitos foram desenvolvidos partindo-se da modernização de uma válvula de fluxo com atuador eletromecânico. No protótipo foram adaptados dois transdutores: um de posição (potenciômetro) e outro de torque (a base de "strain gauges"). O sistema passou a possuir dois Canais de Medição (posição e torque) e um de Atuação (motor elétrico). Um dispositivo eletromecânico (com micro chaves) foi usado para operação manual e segurança. Para o Sistema de Medição e Controle foi construído um hardware (com microcontrolador) e desenvolvido um software. A instrumentação implementada monitora o torque e o movimento do eixo da válvula, as micro-chaves, e gera comandos de acordo com os parâmetros recebidos de uma estação remota. Este trabalho mostra que a adaptação de sistemas industriais de monitoração e controle convencionais em sistemas modernos de instrumentação é tecnicamente vantajosa e de baixo custo. Com as definições e conceitos propostos pretende-se contribuir para a normalização da Instrumentação e a conseqüente compatibilidade de diferentes equipamentos, bem como fazer com que a Instrumentação seja entendida, utilizada e ensinada como uma área do conhecimento aplicada a qualquer ramo da ciência e da tecnologia que a utilize para medir e controlar grandezas físicas. / This study proposes, discusses and generalizes concepts of Thermodynamic System, Measurement Channel, Actuation Channel, Measurement and/or Contrai System and lnstrumentation, based on the need of having a common language among the professionals of the engineering area. These concepts were developed from the up-to-dating of a flow valve with an electromechanical actuator. Two transducers were adapted in the prototype, one of position (potentiometer) and one of torque (with strain gauges ), which caused the system to have two measurement channels (position and torque), and one of actuation (electric motor). An electromechanical device (with micro-switches) was used for security and manual operation. lt was necessary to develop a hardware (with micro-controller) and a software for the measurement and contrai system. The implemented instrumentation monitors the torque and valve position contrai and the micro-switches, as well as generates commands according to the received parameter from a remate station. This study shows that the adaptation of conventional monitor and contrai industrial systems to modern instrumentation systems is technically advantageous and has a low cost. The proposed definitions and concepts represent my contribution to the normalization of instrumentation and to the consequent compatibility among different kinds of equipment. Besides, we want instrumentation to be understood, used and taught as a knowledge area applied to any branch of science and technology where there is the need to measure and contrai physics greatness.

Um novo atuador planar eletromagnético multifase foi investigado. Este tipo de atuador pode ser utilizado em sistemas que requeiram movimento bidirecional sobre o plano como, por exemplo, em máquinas operatrizes industriais. O dispositivo em estudo possui uma armadura plana, estacionária, sem ranhuras e um carro com mobilidade planar. O núcleo da armadura é composto de uma chapa de material ferromagnético macio, em torno da qual estão montados os dois enrolamentos da armadura, que são ortogonais entre si. Cada enrolamento está dividido em seções ou fases. O carro, que possui dois ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético, está mecanicamente conectado a um sistema de suspensão, composto de rolamentos lineares e de trilhos, que permitem o seu deslocamento sobre a superfície da armadura, com dois graus de liberdade. Quando os ímãs permanentes estão localizados sobre as fases do enrolamento da armadura energizado com corrente, uma força eletromagnética planar de propulsão atuará sobre o carro, provocando seu deslocamento paralelamente à superfície da armadura. O atuador planar foi modelado analítica e teoricamente, com vistas a prever seu comportamento estático. O primeiro protótipo construído foi testado com a finalidade de avaliar suas características estáticas de funcionamento e de validar os modelos analítico e numérico. Os valores de densidade de fluxo no entreferro, de força normal e de força planar de propulsão, obtidos através dos ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através dos modelos teóricos Tanto nos modelos teóricos, como no protótipo construído, foram avaliados dois casos distintos: no caso 1 foram utilizados no carro ímãs permanentes de 6,0 mm de comprimento axial e no caso 2, ímãs permanentes de 8,0 mm de comprimento axial. Os testes indicaram que a sensibilidade média do atuador planar para o caso 1 é de 3,61 N/A e para o caso 2 é de 5,37 N/A, quando as duas fases do enrolamento x localizadas sob os ímãs permanentes, foram percorridas por corrente.

Baseado na necessidade de se ter uma linguagem comum entre os profissionais da área de engenharia, conceitos de Instrumentação são propostos, discutidos e generalizados. São definidos: Sistema Termodinâmico, Canal de Medição, Canal de Atuação, Sistema de Medição e/ou Controle. Estes conceitos foram desenvolvidos partindo-se da modernização de uma válvula de fluxo com atuador eletromecânico. No protótipo foram adaptados dois transdutores: um de posição (potenciômetro) e outro de torque (a base de "strain gauges"). O sistema passou a possuir dois Canais de Medição (posição e torque) e um de Atuação (motor elétrico). Um dispositivo eletromecânico (com micro chaves) foi usado para operação manual e segurança. Para o Sistema de Medição e Controle foi construído um hardware (com microcontrolador) e desenvolvido um software. A instrumentação implementada monitora o torque e o movimento do eixo da válvula, as micro-chaves, e gera comandos de acordo com os parâmetros recebidos de uma estação remota. Este trabalho mostra que a adaptação de sistemas industriais de monitoração e controle convencionais em sistemas modernos de instrumentação é tecnicamente vantajosa e de baixo custo. Com as definições e conceitos propostos pretende-se contribuir para a normalização da Instrumentação e a conseqüente compatibilidade de diferentes equipamentos, bem como fazer com que a Instrumentação seja entendida, utilizada e ensinada como uma área do conhecimento aplicada a qualquer ramo da ciência e da tecnologia que a utilize para medir e controlar grandezas físicas. / This study proposes, discusses and generalizes concepts of Thermodynamic System, Measurement Channel, Actuation Channel, Measurement and/or Contrai System and lnstrumentation, based on the need of having a common language among the professionals of the engineering area. These concepts were developed from the up-to-dating of a flow valve with an electromechanical actuator. Two transducers were adapted in the prototype, one of position (potentiometer) and one of torque (with strain gauges ), which caused the system to have two measurement channels (position and torque), and one of actuation (electric motor). An electromechanical device (with micro-switches) was used for security and manual operation. lt was necessary to develop a hardware (with micro-controller) and a software for the measurement and contrai system. The implemented instrumentation monitors the torque and valve position contrai and the micro-switches, as well as generates commands according to the received parameter from a remate station. This study shows that the adaptation of conventional monitor and contrai industrial systems to modern instrumentation systems is technically advantageous and has a low cost. The proposed definitions and concepts represent my contribution to the normalization of instrumentation and to the consequent compatibility among different kinds of equipment. Besides, we want instrumentation to be understood, used and taught as a knowledge area applied to any branch of science and technology where there is the need to measure and contrai physics greatness.

Um novo atuador planar eletromagnético multifase foi investigado. Este tipo de atuador pode ser utilizado em sistemas que requeiram movimento bidirecional sobre o plano como, por exemplo, em máquinas operatrizes industriais. O dispositivo em estudo possui uma armadura plana, estacionária, sem ranhuras e um carro com mobilidade planar. O núcleo da armadura é composto de uma chapa de material ferromagnético macio, em torno da qual estão montados os dois enrolamentos da armadura, que são ortogonais entre si. Cada enrolamento está dividido em seções ou fases. O carro, que possui dois ímãs permanentes de NdFeB de alto produto energético, está mecanicamente conectado a um sistema de suspensão, composto de rolamentos lineares e de trilhos, que permitem o seu deslocamento sobre a superfície da armadura, com dois graus de liberdade. Quando os ímãs permanentes estão localizados sobre as fases do enrolamento da armadura energizado com corrente, uma força eletromagnética planar de propulsão atuará sobre o carro, provocando seu deslocamento paralelamente à superfície da armadura. O atuador planar foi modelado analítica e teoricamente, com vistas a prever seu comportamento estático. O primeiro protótipo construído foi testado com a finalidade de avaliar suas características estáticas de funcionamento e de validar os modelos analítico e numérico. Os valores de densidade de fluxo no entreferro, de força normal e de força planar de propulsão, obtidos através dos ensaios, apresentaram uma boa aproximação em relação aos valores obtidos através dos modelos teóricos Tanto nos modelos teóricos, como no protótipo construído, foram avaliados dois casos distintos: no caso 1 foram utilizados no carro ímãs permanentes de 6,0 mm de comprimento axial e no caso 2, ímãs permanentes de 8,0 mm de comprimento axial. Os testes indicaram que a sensibilidade média do atuador planar para o caso 1 é de 3,61 N/A e para o caso 2 é de 5,37 N/A, quando as duas fases do enrolamento x localizadas sob os ímãs permanentes, foram percorridas por corrente.

Neste trabalho, a princípio relatamos aspectos teóricos da modelagem óptica, apresentando suas aplicações mais importantes, fundamentação teórica e principais tipos de modeladores. Em seguida abordamos nossos objetivos centrais: desenvolvimento, caracterização e testes de performance em um procedimento adaptativo de um modelador óptico programável. O componente principal desse modelador, denominado aqui Espelho Piezoatuado de Alta Resolução, é baseado em um espelho deformável de baixo custo. Ele é formado por uma fileira com 32 atuadores piezoelétricos, distribuídos de maneira uniforme e unidos a uma lamínula de vidro recoberta por um filme-fino de alumínio de alta refletividade (o espelho deformável). Os atuadores são operados, via interface gráfica programada, independentemente por um controlador de 32 canais de tensão de 0 a 100V especialmente fabricado. Além de medirmos as características dinâmicas do sistema, avaliamos seu desempenho a partir de um método de perfilometria óptica. Por fim demonstramos sua funcionalidade com um experimento simples de modelagem de frente de onda. Implementando uma rotina de controle adaptativo (através de um algoritmo evolutivo), mostramos que, mesmo com apenas 15 dos 32 atuadores em operação, o dispositivo é capaz de corrigir significativamente a focalização de uma frente de onda sobre uma fenda estreita. / In this work, initially we report theoretical aspects of optical shaping, presenting also the most remarkable applications. Later on, we introduce our goals: development and characterization of a programmable optical shaper, and performance tests within an adaptive procedure. The main part of this shaper, named here High Resolution Piezoactuated Deformable Mirror, is based on a low-cost deformable mirror. It is formed by 32 piezoelectric actuators in a row distributed uniformly side by side joined to a thin glass substrate covered with a highly reflective aluminum film. The actuators are driven independently, via programmed graphical interface, by a specially made 32-channel controller of voltages from 0 to 100V. Besides measuring dynamical features of the system, we evaluate its performance within an optical method of topography. Finally, we demonstrate its functionality with a simple wave-front shaping experiment. Carrying out an adaptive control routine (through an evolutionary algorithm), it is showed that, even with just 15 of the 32 actuators in operation, the device is able to correct remarkably the wavefront focalization on a narrow slit.

Neste trabalho, a princípio relatamos aspectos teóricos da modelagem óptica, apresentando suas aplicações mais importantes, fundamentação teórica e principais tipos de modeladores. Em seguida abordamos nossos objetivos centrais: desenvolvimento, caracterização e testes de performance em um procedimento adaptativo de um modelador óptico programável. O componente principal desse modelador, denominado aqui Espelho Piezoatuado de Alta Resolução, é baseado em um espelho deformável de baixo custo. Ele é formado por uma fileira com 32 atuadores piezoelétricos, distribuídos de maneira uniforme e unidos a uma lamínula de vidro recoberta por um filme-fino de alumínio de alta refletividade (o espelho deformável). Os atuadores são operados, via interface gráfica programada, independentemente por um controlador de 32 canais de tensão de 0 a 100V especialmente fabricado. Além de medirmos as características dinâmicas do sistema, avaliamos seu desempenho a partir de um método de perfilometria óptica. Por fim demonstramos sua funcionalidade com um experimento simples de modelagem de frente de onda. Implementando uma rotina de controle adaptativo (através de um algoritmo evolutivo), mostramos que, mesmo com apenas 15 dos 32 atuadores em operação, o dispositivo é capaz de corrigir significativamente a focalização de uma frente de onda sobre uma fenda estreita. / In this work, initially we report theoretical aspects of optical shaping, presenting also the most remarkable applications. Later on, we introduce our goals: development and characterization of a programmable optical shaper, and performance tests within an adaptive procedure. The main part of this shaper, named here High Resolution Piezoactuated Deformable Mirror, is based on a low-cost deformable mirror. It is formed by 32 piezoelectric actuators in a row distributed uniformly side by side joined to a thin glass substrate covered with a highly reflective aluminum film. The actuators are driven independently, via programmed graphical interface, by a specially made 32-channel controller of voltages from 0 to 100V. Besides measuring dynamical features of the system, we evaluate its performance within an optical method of topography. Finally, we demonstrate its functionality with a simple wave-front shaping experiment. Carrying out an adaptive control routine (through an evolutionary algorithm), it is showed that, even with just 15 of the 32 actuators in operation, the device is able to correct remarkably the wavefront focalization on a narrow slit.

Neste trabalho, a princípio relatamos aspectos teóricos da modelagem óptica, apresentando suas aplicações mais importantes, fundamentação teórica e principais tipos de modeladores. Em seguida abordamos nossos objetivos centrais: desenvolvimento, caracterização e testes de performance em um procedimento adaptativo de um modelador óptico programável. O componente principal desse modelador, denominado aqui Espelho Piezoatuado de Alta Resolução, é baseado em um espelho deformável de baixo custo. Ele é formado por uma fileira com 32 atuadores piezoelétricos, distribuídos de maneira uniforme e unidos a uma lamínula de vidro recoberta por um filme-fino de alumínio de alta refletividade (o espelho deformável). Os atuadores são operados, via interface gráfica programada, independentemente por um controlador de 32 canais de tensão de 0 a 100V especialmente fabricado. Além de medirmos as características dinâmicas do sistema, avaliamos seu desempenho a partir de um método de perfilometria óptica. Por fim demonstramos sua funcionalidade com um experimento simples de modelagem de frente de onda. Implementando uma rotina de controle adaptativo (através de um algoritmo evolutivo), mostramos que, mesmo com apenas 15 dos 32 atuadores em operação, o dispositivo é capaz de corrigir significativamente a focalização de uma frente de onda sobre uma fenda estreita. / In this work, initially we report theoretical aspects of optical shaping, presenting also the most remarkable applications. Later on, we introduce our goals: development and characterization of a programmable optical shaper, and performance tests within an adaptive procedure. The main part of this shaper, named here High Resolution Piezoactuated Deformable Mirror, is based on a low-cost deformable mirror. It is formed by 32 piezoelectric actuators in a row distributed uniformly side by side joined to a thin glass substrate covered with a highly reflective aluminum film. The actuators are driven independently, via programmed graphical interface, by a specially made 32-channel controller of voltages from 0 to 100V. Besides measuring dynamical features of the system, we evaluate its performance within an optical method of topography. Finally, we demonstrate its functionality with a simple wave-front shaping experiment. Carrying out an adaptive control routine (through an evolutionary algorithm), it is showed that, even with just 15 of the 32 actuators in operation, the device is able to correct remarkably the wavefront focalization on a narrow slit.

Tese de mestrado. Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica - Opção de Automação. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2012