DESENVOLVIMENTO DE UM ANEMÔMETRO PARA ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS. Jorge Henrique Bortolotto 1. Daniel Augusto de Abreu Combat 2

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1 1 DESENVOLVIMENTO DE UM ANEMÔMETRO PARA ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS Jorge Henrique Bortolotto 1 Daniel Augusto de Abreu Combat 2 Gesiel Fernandes 3 Diana D. Becker 4 Orientador: Sérgio Pereira Candido RESUMO: Hoje em dia os instrumentos para medição da velocidade do vento (anemômetros) são considerados de extrema importância para diversos segmentos de pesquisa. O intuito principal neste trabalho foi de desenvolver um instrumento que atendesse primeiramente as necessidades didáticas. Com alguns materiais convencionais e componentes eletrônicos foi elaborado um dispositivo que capta velocidade do vento e envia pulsos para um datalogger (CR10X) de forma simples e objetiva. Palavras-Chave: Anemômetro, Desenvolver. 1. Introdução O vento percorre sem cessar todos os cantos do planeta, apresentando suas diversas faces, desde brisa quase imperceptível até potentes furacões. Em todos os casos, entretanto, trata-se de um fenômeno que tem uma única definição: é ar em movimento. 1 jorgebortolotto@gmail.com 2 danielcombat@gmail.com 3 gesiel_fernandes@hotmail.com 4 diana@plac.srv.br Endereço dos autores: Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina CEFET/SC Av. Mauro Ramos, Centro Florianópolis, SC. Telefone: Fax

2 2 O conhecimento da velocidade do vento é importante em diversas aplicações, tais como aeroportos, balonismo, pilotos de asa-delta, pára-quedistas, barcos e indústrias. A velocidade do vento pode ser medida com um instrumento meteorológico denominado anemômetro. O anemômetro (do grego anemus = vento) é um dispositivo amplamente utilizado para medir a direção e a velocidade dos ventos, sendo normalmente encontrado em todas as estações meteorológicas, em diversos aeroportos, aeroclubes, túneis de vento e na navegação de pequenas embarcações. Existem hoje disponíveis no mercado vários modelos de anemômetros dentre eles destacamos: Anemômetro eletrônico (resfriamento); Ultra-sônicos (efeito Doppler); Anemômetro de conchas; Anemômetro helicoidal. 1.1 Tipos de Anemômetros Anemômetro eletrônico: Usa a diferença entre o tempo de resfriamento de dois transistores. Figura 01 Placa de um anemômetro eletrônico. Anemômetro Ultra-sônico: O sensor ultra-sônico de vento é um instrumento que determina a direção e a velocidade horizontal do vento. Possui um circuito eletrônico com um microcontrolador que captura e processa os sinais e realiza comunicação serial com a PCD.O sensor de vento possui um arranjo de três transdutores ultra-sônicos igualmente espaçados no plano horizontal, formando um triângulo eqüilátero. O sensor mede o tempo de transito, isto é, o tempo

3 3 que a onda de ultra-som leva para se deslocar de um transdutor para o outro. O tempo de trânsito é medido em ambas direções, resultando os tempos de trânsito direto e reverso. Figura 02 Anemômetro Ultra - Sônico Anemômetro de conchas: Os anemômetros de conchas metálicas rotativas destinam-se à medição de ventos cuja velocidade varie de 8 a 160 km/h e os de hélices à medição de ventos de 1,6 a 40 km/h. Consiste em um rotor com 3 conchas hemisféricas que acionam um mecanismo onde é instalado um sensor eletrônico. Este instrumento serve para medir a circulação do ar em qualquer ponto que à circulação de ar (vento, tornados, tempestades etc...). São usados para medir a circulação de ar dentro de motores elétricos e para verificar como estão as condições climáticas em qualquer situação. São poucas as indústrias que possuem esse equipamento, ele pode ser encontrado em firmas que precisam de ventilação controlada e até mesmo para prever o tempo através da velocidade dos ventos. Figura 03 Anemômetro de conchas

4 4 Anemômetro Helicoidal: Um dos modelos mais usados atualmente pelas estações meteorológicas instaladas em regiões adversas, como na Antártida, é conhecido como aviãozinho. Dotado de uma hélice para fluxo axial ele pode trabalhar com ventos de até 320 quilômetros por hora. Tem um corpo central que funciona como gerador de sinais e de energia para o indicador de velocidade, e sua 'rabina' ou cauda, além de manter a hélice na direção do vento, ainda fornece eletronicamente esta direção. Os dados são acumulados em um registrador ou numa memória eletrônica que é descarregada para coletores de dados ou transmitidos à distância. Figura 04 Anemômetro Helicoidal Atualmente a maioria dos aparelhos que se destinam mensurar as variáveis meteorológicas são geralmente fabricados no exterior, em países de primeiro mundo, e possuem alto custo comercial. Os anemômetros são instrumentos sofisticados e com custo elevado, no entanto, também é possível criar versões caseiras que servem para proporcionar um estudo e conhecimento de seu funcionamento. O presente trabalho tem por objetivo demonstrar como fazer um anemômetro de cochas para medir a velocidade do vento, tendo como finalidade agregar baixo custo à sua produção e funcionamento possibilitando o conhecimento de sensores utilizados nesta aplicação. Utilizando-se um anemômetro com conchas montadas a distâncias iguais e formando ângulos retos com o eixo vertical, pôde-se calcular a velocidade do vento. A força exercida

5 5 pelo vento na superfície interna da concha é maior do que na externa, assim, as conchas fazem com que o eixo vertical comece a girar e possibilite o registro da velocidade. 2. Metodologia Para a elaboração deste instrumento foram utilizados os seguintes materiais e componentes: Três conchas de alumínio com cabo; Madeira para a base do instrumento (compensado); Tubo de PVC; Rolamentos; Pregos; Fibra plástica ótica; Fototransistor; Diodo emissor de luz (LED); Placa de montagem; Fios; Solda; Estanho; Solução de percloreto de ferro; Espelho; Luva termoretrátil; Ferramentas utilizadas: Furadeira; Martelo; Arrebitadeira; Marreta; Serra tico-tico; Perfurador de placa; Ferro de solda; Chave de fenda; 2.1 Dispositivos Optoeletrônicos As fontes de energia luminosa possuem características não encontradas em outras fontes de energia. Esta energia, transmitida na forma de fótons, é diretamente relacionada com a freqüência da onda de luz emitida. A optoeletrônica é uma tecnologia que associa a óptica com a eletrônica, baseados na reação de uma junção polarizada. Os componentes optoeletrônicos mais conhecidos são os diodos emissores de luz (LED), fotodiodos, optoacopladores, etc.

6 6 2.2 Diodos emissores de luz (LED) Em um diodo de junção comum com polarização direta, há uma combinação de portadores na junção (elétrons-lacuna). À medida que esses elétrons caem de um nível mais alto de energia para um nível mais baixo, eles irradiam energia, sendo uma parte dessa energia emitida em forma de calor e outra parte na forma de fótons. No silício e no germânio a maior parte dessa energia é emitida na forma de calor, sendo a luz emitida insignificante. Os diodos LED têm sido atualmente utilizados para indicação em substituição das lâmpadas pilotos convencionais, devido ao seu baixo consumo de energia (baixa tensão e baixa corrente), sua vida longa e rápida comutação on-off (liga-desliga). Enquanto os diodos comuns são fabricados a partir do silício e do germânio, os LEDs são construídos a partir de elementos como o fosfato de arsenieto de gálio (GaAsP) ou o fosfato de gálio (GaP) e o número de fótons de luz emitida é suficiente para constituir uma fonte de luz bastante visível. O processo de emissão de luz por aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamada de eletroluminescência. Como o LED é um dispositivo de junção pn ele terá uma característica de polarização direta. O símbolo mais utilizado para representar um diodo LED é mostrado abaixo: Figura 05 Simbologia do Diodo emissor de luz (LED) 2.3 Fotodiodos O fotodiodo é um diodo de junção construído de forma especial, de modo a possibilitar a utilização da luz como fator determinante no controle da corrente elétrica. Caracteriza-se por ser sensível à luz, isto é, quando a luz incide em sua junção, ocorre uma produção de elétrons e lacunas. Quanto maior for a intensidade luminosa que incide na junção, maior será o número de portadores minoritários e maior será a corrente reversa. Em resumo, podemos dizer então que

7 7 um fotodiodo é um dispositivo que converte a luz recebida em uma determinada quantidade de corrente elétrica. Figura 06 - Simbologia do fotodiodo 2.4 Fototransistor Fototransistor é um transistor cujo encapsulamento permite a incidência d luz sobre a junção base-coletora. A corrente gerada pela luz na junção é amplificada pelo transistor, como se fosse uma corrente de base convencional. A corrente de coletor do fototransistor é, portanto, proporcional à intensidade luminosa incidente sobre o componente. Na aplicação do fototransistor pode-se usar o mesmo circuito típico do fotodiodo. As vantagens do fototransistor em relação ao fotodiodo são: A intensidade de corrente maior (em função da amplificação); Existência da base-coletora que permite escolher o ponto de operação desejado. A desvantagem reside no fato de que o tempo de resposta do fototransistor é maior. Modernamente os fototransistores estão sendo utilizados em conjunto com diodos emissores de luz num único encapsulamento, que são chamados de acopladores ópticos. Este componente é muito utilizado na isolação de estágios de corrente contínua e também corrente alternada nos equipamentos.

8 8 Figura 07 Simbologia do Fototransistor 2.5 Sensor Fotoelétrico O sensor fotoelétrico baseia-se na transmissão e recepção de luz infravermelha, podendo ser refletida ou interrompida pelo objeto a ser detectado. Este tipo de sensor é composto por dois circuitos básicos: um transmissor (LED diodo emissor de luz), responsável pela emissão do feixe de luz, e o receptor (fototransistor ou fotodiodo), responsável pela recepção do feixe de luz. Os sensores ópticos são capazes de detectar vários tipos de objetos. Os objetos transparentes, entretanto, não podem ser detectados por ele. Através do sensor foto-elétrico é possível a aplicação de encoders, onde um disco espelhado permite a passagem ou não do feixe de luz. Desta forma a posição ou velocidade é registrada contando-se o número de pulsos gerados obtendo uma freqüência. 2.6 Fibra plástica ótica Fibra óptica é um filamento, de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de transmitir luz. Estes filamentos têm diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde diâmetros ínfimos, da ordem de micra (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros. A transmissão da luz pela fibra segue um mesmo princípio, independentemente do material usado ou da aplicação: é lançado um feixe de luz em uma extremidade da fibra, e pelas

9 9 características ópticas do meio (fibra), esse feixe percorre a fibra através de consecutivas reflexões. A fibra possui no mínimo duas camadas: O núcleo e o revestimento. No núcleo ocorre à transmissão da luz propriamente dita, embora o revestimento não seja menos importante. A transmissão da luz dentro da fibra é possível graças a uma diferença de índice de refração entre o revestimento e o núcleo, sendo que o núcleo possui sempre um índice de refração mais elevado, característica que aliada ao ângulo de incidência do feixe de luz, possibilita o fenômeno da reflexão total. 2.7 Montagem - Parte mecânica A busca pelos materiais necessários foi orientada da seguinte forma: selecionamos materiais de baixo custo e fácil aquisição. Na maioria das vezes reciclamos o uso dos materiais.como exemplos, rodas de skate, um pedaço de PVC, conchas de feijão entre outros. Depois de reunidos, começamos a montar. Primeiramente a base que foi confeccionada com um estrado de madeira, em seguida foi adaptada um pedaço de cano de PVC para servir de estrutura, as conchas de feijão foram utilizadas para o sensor de vento. 2.8 Montagem - Parte eletrônica A placa do circuito foi confeccionada manualmente pelos integrantes e posta para corroer em solução de Percloreto de ferro no laboratório do curso de eletrônica do CEFET/SC. As dimensões da placa em fenolite são de 10 x 5 cm, com o desenho do circuito completo. Foram soldados os componentes eletrônicos na mesma. Por fim foram realizados testes com a placa para comprovar o seu funcionamento. 2.9 Circuito de controle L1 LED ou (diodo emissor de luz) L2 Fototransistor R1 - Resistor

10 10 P1 Saída de pulso + / - Alimentação Figura 08 Demonstração do circuito Figura 09 - Exemplo de anemômetro construído artesanalmente, formado basicamente por um gerador elétrico, um sistema de hélices e um voltímetro.

11 Datalogger O datalogger CR10X é um sistema de controle e medidas projetado para realizar coleta automática de dados. É completamente programável, possui memória não-volátil, relógio interno, constituindo um equipamento compacto, robusto, selado e de baixo custo. A precisão de suas medidas permite que seja utilizado tanto em aplicações científicas quanto em operações rotineiras.possui a capacidade de medir virtualmente qualquer sensor de controlar equipamentos externos (por exemplo, acionar equipamentos elétricos, abrir comportas, etc.). Este aparelho será de grande utilidade para o projeto, pois contará os pulsos elétricos do anemômetro.por isto, fizemos uma pequena programação para que os pulsos elétricos fossem transmitidos em velocidade do vento. Programação para o sensor do anemômetro utilizando o programa Loggernet: 01: Pulse (P3) 1: 1 Reps 2: 1 Pulse Input Channel 3: 20 High Frequeny, Output Hz 4: 10 Loc [ WS_mph ] 5: Mult 6:.2 Offset

12 12 3. Resultados O equipamento apresenta um funcionamento mecânico razoável. Já a precisão da parte eletrônica, não pode ser avaliada, pois não possuímos um datalogger reserva para tal fim, considerando o alto custo no caso de uma avaria no utilizado na estação do CEFET/SC. 4. Considerações Finais Durante a elaboração do projeto, encontramos dificuldades com relação ao processo de montagem do equipamento. Da mesma forma demos prioridade em usar materiais e componentes de fácil acesso e baixo custo comercial Depois de construído observamos que o equipamento necessita de uma análise mais detalhada no que diz respeito à qualidade de seus dados. Torna-se necessário que seja realizado posteriormente uma espécie de aferição dos dados, dando o sentido de calibração. De tal forma, sugerimos que possa ser dada continuidade nesta pesquisa no sentido de aperfeiçoar o instrumento utilizando materiais e componentes que possuam maior durabilidade e confiabilidade. Mas considerando que o objetivo do projeto é a simples construção de um instrumento adaptável a estações meteorológicas automáticas e não o perfeito funcionamento do mesmo, podemos avaliar que este projeto serviu para agregar valores didáticos. 5. Agradecimentos: Agradecemos a todos os professores e colegas que contribuíram de alguma forma para a elaboração deste projeto.

13 13 6. Referências bibliográficas: Disponível em campbell.com acesso em Disponível em acesso em Disponível em acesso em Disponível em acesso em Disponível em acesso em Disponível em acesso em BONACORSO, Nelso Gauze; NOLL, Valdir Automação eletropneumática Editora Érica 7ª Edição 2003 CAPELLI, Alexandre Mecatrônica Industrial Editora Saber 1ª Edição 104 páginas