Aula Prática de Laboratório : Instrumentos meteorológicos automáticos

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1 Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP Prof. Humberto Ribeiro da Rocha, Helber Freitas, Eduardo Gomes Relatório : entrega junto com a prova Aula Prática de Laboratório : Instrumentos meteorológicos automáticos Os objetivos desta aula são descrever fundamentos de medição automática de instrumentos meteorológicos: 1. tendo disponíveis equipamentos de medição da temperatura e umidade do ar, com um conjunto termo-higrômetro (termômetro de resistência e higrômetro capacitivo), e um psicrômetro (termistor) automático modelo Assmann ; 2. ensinar princípios de utilização do datalloger (coletor automático de dados) ; 3. realizar um procedimento de calibração simplificada, utilizando-se dos equipamentos utilizados. Roteiro da aula 1 a etapa: Reconhecimento dos equipamentos na bancada Termo-higrômetro não-aspirado termômetro resistivo higrômetro capacitivo Termo-higrômetro aspirado termômetro resistivo higrômetro capacitivo Psicrômetro modelo Assmann termômetros do tipo termistor Datalogger Computador e software de interface com datalogger 2 a etapa : Conceito, arquitetura e aplicação do datalogger (aula teórica dada em sala) 3 a etapa : Programação do datalogger São utilizados 3 equipamentos eletrônicos, ligados ao datalogger: a1) psicrômetro automático convencional aspirado (modelo padrão Assmann da Organização Meteorológica Mundial) com termômetros (tipo termistor T107) de bulbo seco (temperatura T1) e de bulbo úmido (temperatura T1 w ); a2) equipamento (modelo CSI/HMP45C) aspirado com termômetro (detector resistivo de platina) (temperatura T2) e higrômetro (sensor capacitivo de umidade relativa UMICAP 180) (umidade relativa UR2); a3) equipamento (modelo CSI/HMP45C) não-aspirado com termômetro (detector resistivo de platina) (temperatura T3) e higrômetro (sensor capacitivo de umidade relativa UMICAP 180) (umidade relativa UR3); detector resistivo (RTD) de platina acurácia ±2% de 10-90% UR; ±3% de % UR termistor T107 acurácia ±0.2 C (0 to +50 C)

2 Outras variáveis disponíveis: TB = temperatura do barômetro, pb = leitura da pressão barométrica. Reconheça as posições dos fios do psicrômetro ligado ao datalogger, fazendo a associação porta equipamento da seguinte forma : Fio (cor) Canal Função verde preto cristal Utilizando o software PC208W a) edite o código do programa de aquisição e controle dos dados (tarefa feita com instrução simultânea na aula, também para os itens seguintes b-d) b) Salvar o programa, compilar o programa, enviar o programa ao datalogger. c) Entre no modo de visualização d) Descreva a evolução temporal das variáveis controladas. e) Descarregue os dados no disco rígido (C:/ACA221/nomeusuario/...) e edite. (crie um nomeusuario para você ao descarregar) 4 a etapa: Calibração dos Termômetros e Psicrômetros Calibrar um termômetro é fazer sua comparação com um padrão (ou referência), para um certo intervalo de temperatura, assim obtendo uma nova fórmula de estimativa da temperatura. Os equipamentos foram utilizados simultaneamente, nas imediações do IAG/USP (Foto1) Foto 1: Montagem feita para aquisição de dados para calibração utilizados nesta aula (exercícios 5 e 6), com equipamentos (1) psicrômetro Assman, (2) CSI/HMP45C aspirado e (3) CSI/HMP45C não-aspirado. Os dados foram adquiridos simultaneamente. A série temporal medida será fornecida aos alunos em planilha eletrônica (formato Excel) no seguinte formato de colunas, com 2 pastas (Calibração dos Termômetros, Calibração da umidade) : Dia, hora, T1w, T1, T3, UR3,T2, UR2, TB, pb (temperatura em o C, umidade relativa em %, pressão em hpa) no endereço

3 a) Com as séries temporais das médias de 2 min de T1, T1w, T3 e T2, faça a calibração dos sensores T1, T1w, e T3, respectivamente, supondo o termômetro T2 como a referência. A série de T2 será a variável dependente (y) e as séries de T1, T1w e T3, respectivamente, serão as variáveis independentes (x). (Veja questão 5 do roteiro de relatório) b) Identicamente, com as séries temporais da umidade específica do ar, calculada para cada equipamento (q1, q3 e q2), faça a calibração de q1 e q3, respectivamente, supondo a umidade específica q2 como a referência. (Veja questão 6 do roteiro de relatório) Roteiro do Relatório Para fazer o relatório, responda as seguintes questões : 1. Descreva as posições dos fios do equipamento a1 ligado ao datalogger, fazendo a associação porta equipamento da seguinte forma : Fio (cor) Canal Função verde preto cristal Qual o tipo de ligação (SE ou Diff) utilizada para cada equipamento (cheque no código do programa para verificar)? 3. Qual padrão (por ex: quem superestima quem? há resposta mais rápida de algum equipamento?) se observou na visualização dos dados adquiridos em tempo real? 4. Em uma página, descreva as funções e recursos de um datalogger, e faça um fluxograma do programa implementado com os termômetros e higrômetros, indicando as principais funções de comando. 5. Calibração dos termômetros : Os termômetros utilizados na experiência não coincidiam exatamente entre si. Para isso é necessário calibrá-los com um padrão. Esse padrão será o termômetro do termohigrômetro aspirado (T2), por conveniência. Os dados visualizados no laboratório foram apenas demonstrativos, e os dados apropriados coletados para a calibração estão no web site das aulas teóricas (baixe a planilha). Para fazer a calibração, faça o seguinte : a) Plote a evolução temporal de T1, T1w e T2 (juntos em um gráfico), e de T3 e T2 (juntos em outro gráfico) e comente de forma suscinta se há e como ocorre alguma superestima. b) Estime a regressão linear, na forma y = a + bx, calculando os coeficiente a, b, e o coeficiente de regressão linear R 2, e a raiz do erro quadrático médio (RMSE). A calibração obtida, para cada caso separadamente, será expressa na temperatura corrigida (índice c) como : Ti_c = ai + bi Ti onde n i = número de eventos, Ti = (T1, T1w ou T3), Ti_c = (T1_c, T1w_c ou T3_c).

4 RMSE i = 1 n n i t = 1 ( _ c) T i T i t 2 Comente a calibração, expressando os resultados em uma tabela do seguinte formato. Variável N a b R 2 RMSE T1 T1w T3 c) Plote em 3 gráficos distintos (T2 em função de T1), (T2 em função de T1w), e (T2 em função de T3), respectivamente: a dispersão das amostras a reta 1:1 (mantenha escalas iguais nos eixos x e y). a reta da regressão linear estimada. 6. Calibração da umidade do ar: para ter os dados, utilize a pasta Calibração da umidade da planilha fornecida. Calcule a umidade específica dos 3 equipamentos (q1, q2 e q3, em g/kg), e realize o mesmo procedimento de calibração de q1 e q3, respectivamente, com a umidade específica q2 de referência, desenvolvendo resultados similares aos itens (a,b,c) da questão 5. Importante : para o cálculo da umidade do ar, quando for necessário utilizar a temperatura do ar, deve ser utilizada a temperatura corrigida obtida na questão 5. Fórmulas utilizadas Conversão da umidade específica (q) e pressão de vapor d água (e) ε e q = 1000, ε = 0,622 ; (e,p) em hpa ; q em g/kg p -(1-ε )e Cálculo da umidade específica no sensor capacitivo e UR = es (p,t) ( 17,502 T) (240,97 + T) e (p,t) = f.e (T) = f.6,1121 exp (fórmula de Buck corrigida c/ pressão) s s onde (e,e s,p) em hpa, (T) em o C fator correção pressão: f = 1, ,15 x 10-6 p - 0,074/p (p em hpa) Cálculo da umidade específica no psicrômetro Assmann e = e s (p,tw) A. p. (T T w ) (equação psicrométrica) e s (p, Tw) ( 17,502 Tw ) (240,97 + Tw) = f.es (Tw) = f.6,1121 exp (fórmula de Buck corrigida)

5 onde (e,e s,p) em hpa, (T,T w ) em o C, A = constante psicrométrica A = a ( 1 + 9, Tw) (T w em o C), a = 9, pb0 = pb. (1 1, TB) p = pb 0 1,3. (1013,25 /760 ) pb 0 = pressão do barômetro reduzida a 0 o C (em hpa) pb = leitura barométrica (em hpa) TB = temperatura do barômetro (em o C) p = pressão atmosférica corrigida (em hpa)

6 Fig.1.:Ilustração do datalogger utilizado, com legenda dos terminais.

7 Programa desenvolvido no software PC208W para datalogger cr10x NOTAS : (1) verifique no datalogger as portas SE (azul) e Diff (branco) (2) abrir PC208W; abrir File, abrir New (3) abrir nova área de programa, escolhendo CR10X (4) salvar em c:\aca221\usuario\filename (max 8 digitos) (5) editar o program: digite apenas o número precedido pela letra P exemplo (P86), digite 86 <enter> OBS: comentários nas linhas estão em negrito, após o ; *Table 1 Program 01: 2 Execution Interval (seconds);tempo de execução (loop) do programa; a cada 2 seg. 1: Do (P86); 1: 41 Set Port 1 High; ativa o equipamento HMP (sistema 2) 2: Do (P86) ; 1: 42 Set Port 2 High; ativa o equipamento HMP (sistema 3) 3: Temp (107) (P11); ativa psicrômetro Assman (sistema 1) 1: 2 Reps ; 2 termômetros ligados em sequencia 2: 1 SE Channel; canal e tipo de ligação usada (SE1 e SE2 sequencial) 3: 1 Excite all reps w/e1; porta de excitação do T107 4: 1 Loc [ T ]; local e nome da variável 5: 1 Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração 6: 0.0 Offset; ao coef. linear de uma reta de calibração 4: Volt (Diff) (P2) 1: 1 Reps; 1 HMP com ventilação (sistema 2) 2: mv Slow Range; intervalo de representatividade das T(ºC) 3: 4 DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada 4: 3 Loc [ T_HMP2 ]; local e nome da variável 5: 0.1 Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração 6: -40 Offset ; ao coef. linear de uma reta de calibração 5: Volt (Diff) (P2) 1: 1 Reps; 1 HMP com ventilação (sistema 2) 2: mv Slow Range; intervalo de representatividade das UR(%) 3: 5 DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada 4: 4 Loc [ U_HMP2 ]; local e nome da variável 5: 0.1 Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração 6: 0.0 Offset; ao coef. linear de uma reta de calibração 6: Volt (Diff) (P2) 1: 1 Reps; 1 HMP sem ventilação (sistema 3) 2: mv Slow Range; intervalo de representatividade das T(ºC) 3: 2 DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada 4: 5 Loc [ T_HMP3 ]; local e nome da variável 5: 0.1 Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração 6: -40 Offset; ao coef. linear de uma reta de calibração

8 7: Volt (Diff) (P2) 1: 1 Reps; 1 HMP sem ventilação (sistema 3) 2: mv Slow Range; intervalo de representatividade das UR(%) 3: 3 DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada 4: 6 Loc [ U_HMP3 ]; local e nome da variável 5: 0.1 Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração 6: 0.0 Offset; ao coef. linear de uma reta de calibração 8: If time is (P92); condição de tempo 1: 0 Minutes (Seconds --) into a; não há defasagem 2: 2 Interval (same units as above); a cada 2 minutos 3: 30 Then Do; executa o que segue abaixo, até a instrução END 9: Do (P86) 1: 10 Set Output Flag High (Flag 0); libera a memória final 10: Real Time (P77); dados de tempo 1: 220 Day,Hour/Minute (midnight = 2400); formato dos dados de tempo 11: Average (P71); calcula a média das variáveis requisitadas 1: 6 Reps; calcula a média das 6 variáveis em seqüência a partir da T 2: 1 Loc [ T ]; primeira variável para cálculo de médias 12: End (P95); fim das execuções e fim do programa *Table 2 Program 02: Execution Interval (seconds) *Table 3 Subroutines End Program OBS.: Para compilar o programa, basta mandar salvar e concordar com a sugestão de compilação. Se estiver tudo certo, haverá uma mensagem dizendo Para visualizar dados Connect Connect Send C:\aca2211\user\filename.dld Numeric (view tabela de dados em tempo real) Graphs (view modo gráfico em tempo real) Setup (abre temperatura e umidade separadamente)