CTD - Operação e preprocessamento de dados

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1 LABORATÓRIO DE INSTRUMENTAÇÃO OCEANOGRÁFICA Laboratório de Instrumentação Oceanográfica Departamento de Oceanografia Física - IOUSP L I O I O U S P CTD - Operação e preprocessamento de dados Eng. Luiz Vianna Nonnato versão Outubro de 2004

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3 1 Conteúdo 1. Apresentação 2 2. Características gerais de um CTD moderno Sensores utilizados em CTDs 3 3. Operação do CTD Cuidados pré-cruzeiro Cuidados a bordo Cuidados pós-cruzeiro 5 4. Estratégias para obtenção de dados de boa qualidade Limpeza dos sensores Montagem dos sub-sistemas do CTD Operação do instrumento em campo Correção dos desvios decorrentes das características físicas dos sensores Validação dos dados Calibração de sensores Pré-processamento dos dados 13

4 2 1. Apresentação Levando em conta os seguintes aspectos: CTDs vêm sendo intensivamente utilizados em trabalhos de campo de inúmeros projetos de pesquisa do IOUSP e de outras instituições do país CTDs são instrumentos que, potencialmente, podem efetuar medições com grande precisão para que a qualidade dos dados coletados por CTDs seja ótima, cuidados básicos referentes à preparação e operação do instrumento, bem como ao processamento de dados, devem ser seguidos Esta apresentação procura apresentar alguns aspectos relevantes com relação ao trabalho com CTDs, visando inclusive à uniformização dos procedimentos operacionais adotados pelos diversos grupos de pesquisa. 2. Características gerais dos CTDs modernos Instrumentos topo de linha apresentam enorme acurácia nas medidas Taxa de amostragem elevada (superior a 20 amostras por segundo, nos instrumentos topo de linha) Baixo consumo de energia Tamanho e peso reduzidos, devido ao uso de câmaras estanques construídas com materiais especiais: alumínio, titânio ou plásticos especiais (primeiros CTDs possuiam câmaras de aço inox, sendo grandes e pesados) Sub-sistemas eletrônicos baseados em circuitos integrados de última geração, com controle das operações efetuado por micro-processador Instrumentos de registro interno empregam memórias semicondutoras (primeiros CTDs de registro interno empregavam fita magnética) Utilização de sensores modulares e intercambiáveis - flexibilidade na configuração do instrumento e facilidade de manutenção e calibração dos sensores Extensivo emprego de microcomputadores no processo de coleta de dados Especificações de um CTD moderno (estabelecidas pelo programa WOCE) sensor acurácia resolução temperatura o C o C salinidade PSU PSU condutividade S/m S/m pressão 3 dbar 1 dbar

5 Sensores utilizados em CTDs Todo e qualquer CTD incorpora sensores de temperatura, condutividade e pressão. Devidos às particularidades da aplicação a que se destinam, como necessidade de alta precisão nas medidas ou capacidade de resistir a elevadas pressões, os sensores utilizados em CTDs são, via de regra, desenvolvidos especialmente para esta classe de instrumentos. As concepções de sensores mais utilizadas, para estes três parâmetros básicos, são as seguintes: temperatura condutividade pressão. termistores de platina de alta estabilidade e resposta rápida. sensores condutivos. sensores indutivos. strain gages de precisão. sensores piezoelétricos (Digiquartz) Em adição aos sensores para os três parâmetros básicos, CTDs freqüentemente incorporam sensores para outras grandezas do ambiente marinho. Entre estas, pode-se citar: ph teor de oxigênio dissolvido potencial de oxi-redução turbidez fluorescência radiação luminosa transmitida distância do fundo (altímetro) 3. Operação do CTD A operação de um CTD em campo é simples e geralmente pode ser efetuado por uma equipe pequena (2 ou 3 pessoas). Os requisitos para uma embarcação adequada ao lançamento de CTDs também são pequenos, compreendendo basicamente um guincho e um turco (ou pau-de-carga). Caso seja utilizado um instrumento de leitura em tempo real, normalmente é necessária a utilização de um guincho mais sofisticado, com slip ring e cabo eletromecânico. Simplificadamente, esta operação pode ser dividida nos seguintes passos: retirada do instrumento do convés da embarcação e sua colocação na água (através do uso de um pau-de-carga, turco ou equipamento semelhante); descida do instrumento até a profundidade máxima desejada, usualmente com velocidade aproximadamente constante (ou constante por trechos) recolhimento do instrumento da água recuperação dos dados coletados (no caso de instrumento de registro interno) Apesar da simplicidade do processo de operação do CTD, cuidados básicos devem ser seguidos para que o instrumento opere de forma ótima. Assim, cuidados específicos devem ser tomados tanto na fase de preparação (anterior ao embarque do equipamento) quanto nas de efetiva operação e de limpeza e armazenamento do instrumento.

6 Cuidados pré-cruzeiro Com relação à manipulação do instrumento antes do início das operações a bordo, é importante observar-se os seguintes aspectos: verificação da inexistência de danos no instrumento e sensores; repará-los, se necessário verificação da perfeita limpeza dos sensores atenção ao acondicionamento do instrumento para transporte, evitando que o mesmo sofra trepidação excessiva ou choques mecânicos durante seu transporte e embarque atenção à estocagem do instrumento a bordo, evitando que o mesmo sofra quedas ou choques mecânicos - sempre pear a embalagem ou o instrumento, se fora da embalagem 3.2. Cuidados a bordo Durante a operação do CTD a bordo, cuidados básicos devem ser seguidos para manter a segurança dos operadores e a integridade física do instrumento, bem como permitir ao instrumento um desempenho ótimo : a) segurança dos operadores a segurança do pessoal envolvido na operação do instrumento deve ser uma prioridade em qualquer operação em campo o uso de equipamentos de proteção, como capacetes, luvas e sapatos adequados, é altamente recomendável particular cuidado deve ser tomado na manipulação do instrumento quando o mar estiver muito agitado ou quando o instrumento estiver acoplado a uma Rosette (devido ao grande peso do sistema CTD-Rosette, especialmente quando as garrafas da Rosette estão cheias) b) integridade física do instrumento extremo cuidado deve ser tomado para evitar que o instrumento atinja profundidades superiores ao limite da câmara estanque ou dos sensores - a não obediência a esta recomendação poderá causar a destruição total do instrumento todo e qualquer objeto que obstrua a passagem de água pelos sensores (como capas protetoras ou tubos para hidratação) deve ser retirado antes do lançamento do instrumento cuidado deve ser tomado para evitar que o instrumento colida com a amurada ou com o costado da embarcação durante as fases de lançamento e recuperação o processo de descida do instrumento deve ser monitorado com atenção, para evitar que o instrumento atinja o fundo atenção deve ser prestada com relação a eventuais obstáculos submersos que possam prender o instrumento, como cabos de amarração da embarcação de lançamento ou de outras embarcações, estruturas submersas, etc. constante atenção deve ser prestada quanto à inclinação do cabo, a fim de evitar que o mesmo se prenda ao hélice ou ao leme da embarcação cabos e ferragens devem ser inspecionados periodicamente, devendo ser substituídos caso apresentem corrosão acentuada ou outro dano; isto evita que os mesmos se rompam e o instrumento seja perdido

7 5 c) desempenho ótimo do instrumento evitar que o instrumento permaneça no convés por longos períodos, especialmente sob insolação direta evitar que o instrumento (especialmente os sensores) fique molhados por água do mar por longos períodos manter o instrumento (especialmente os sensores) limpos verificar constantemente o estado dos conectores, mantendo-os sempre em sua posição correta; se aplicável, lubrificá-los periodicamente com graxa de silicone verificar constantemente o estado das baterias do instrumento, evitando que as mesmas vazem 3.3. Cuidados pós-cruzeiro Após o término dos trabalhos de bordo, alguns cuidados devem ser tomados: lavar cuidadosamente o instrumento com água doce, especialmente os sensores (se estes estiverem contaminados por óleo, lavá-los com detergente não-iônico) observar o estado da câmara estanque e sensores; caso sejam detectados pontos de corrosão, proceder a seu reparo conforme instruções do fabricante caso seja necessário manter algum sensor úmido (especialmente sensores de ph e oxigênio), seguir as instruções do fabricante permitir que o instrumento seque totalmente antes de colocá-lo em sua embalagem, evitando degradação da embalagem e criação de ambiente propício para crescimento de fungo como no caso dos cuidados pré-cruzeiro, evitar que o instrumento sofra danos por choque mecânico durante a estocagem e transporte em terra, efetuar checagem completa do instrumento e sensores, procedendo a sua manutenção ou recalibração, se necessário 4. Estratégias para obtenção de dados de boa qualidade (baseado em: Larson, N. Oceanographic CTD sensors: principles of operation, sources of error and methods for correcting data. Sea-Bird. 1990) CTDs são instrumentos extremamente precisos e confiáveis para a coleta de dados em levantamentos hidrográficos. Entretanto, para que seja obtida a máxima qualidade dos dados coletados, especialmente nos instrumentos topo de linha, cuidados básicos devem ser seguidos: a) perfeita limpeza dos sensores b) adequada montagem dos sub-sistemas do CTD c) adequada operação do instrumento em campo d) correção de erros decorrentes das características estáticas e dinâmicas dos sensores e) validação dos dados por comparação com outros instrumentos

8 Limpeza dos sensores A perfeita limpeza dos sensores de um CTD é um requisito básico para a maximização da qualidade dos dados coletados. Como ilustração, no sensor de condutividade SeaBird SBE- 4, a existência de uma camada de sujeira de 1 micron acarreta um erro de PSU. Alguns efeitos da sujeira em sensores: pressão: obstrução da tomada de pressão, alterando a resposta dinâmica do sensor temperatura: prejudica o contato térmico entre o sensor e a água, aumentando seu tempo de resposta condutividade: alteração das dimensões do sensor, acarretando erro nas medidas; alteração da resistividade superficial dos eletrodos, acarretando erro nas medidas (apenas em sensores condutivos) 4.2. Montagem dos sub-sistemas do CTD O posicionamento relativo dos diversos sub-sistemas do CTD (estrutura de proteção, câmaras estanques, sensores, etc.) pode ter efeito significativo sobre a qualidade dos dados coletados. Assim, alguns cuidados básicos devem ser tomados: os sensores de temperatura e condutividade devem amostrar o mesmo volume de água os dois sensores devem ser instalados fisicamente próximos ou ser utilizada uma bomba para circulação da água entre os vários sensores os sensores devem amostrar água não perturbada não devem existir corpos que obstruam ou distorçam o fluxo de água pelos sensores não devem existir corpos com grande massa térmica próximos aos sensores 4.3 Operação do instrumento em campo Em adição aos cuidados básicos com relação à operação a bordo do instrumento, descritos anteriormente, os seguintes fatores devem ser considerados quando do lançamento do instrumento: adotar a máxima taxa de amostragem viável - viabiliza um melhor tratamento computacional dos dados coletados evitar velocidades de descida muito baixas - evita a ocorrência de inversões no sentido de movimento do instrumento preferencialmente, efetuar a coleta de dados durante a descida do instrumento - minimiza o efeito da turbulência gerada pelo movimento do instrumento permitir a total estabilização dos sub-sistemas eletrônicos do instrumento antes de iniciar seu lançamento - no caso de sensores de oxigênio o tempo de estabilização pode chegar a 3 minutos permitir a estabilização térmica dos sensores do instrumento na superfície antes de continuar o lançamento - recomenda-se um período de estabilização de 30 a 60s na superfície, especialmente se o instrumento permaneceu sob insolação direta

9 7 Efeitos da turbulência causada pelo movimento do CTD Devido às dimensões do CTD, o movimento do instrumento durante o lançamento origina uma região de turbulência ao redor do mesmo, que pode interferir no processo de medição. Desta forma, cuidado especial deve ser tomado para minimizar os efeitos da turbulência; como regra, deve-se programar a operação de lançamento de modo que os sensores do instrumento estejam em contacto com água pouco perturbada pela turbulência (idealmente, água não perturbada). Região de turbulência Sensores Descida Sensores em contato com água não perturbada Subida Sensores em contato com água perturbada por turbulência Fig. 1 Turbulência gerada pelo movimento do CTD subida -360 subida profundidade (m ) descida descida tem peratura s alinidade Fig. 2 Diferença entre os registros de descida e subida, devida à turbulência

10 8 0 Descida à velocidade normal Sensores em contato com água não perturbada Redução súbita de velocidade Região de turbulência avança em relação ao CTD Velocidade de descida nula Sensores em contato com água perturbada por turbulência Fig. 3 Efeito da redução da velocidade de descida sobre a operação de medição tem po(s ) veloc. des c ida (m /s ) tem peratura s alinidade Fig. 4 Alteração dos dados coletados devido à redução da velocidade de descida

11 Correção dos desvios decorrentes das características físicas dos sensores O perfeito conhecimento das características físicas dos sensores é um pressuposto primordial para a adequada interpretação dos dados coletados por um CTD. Dentre estas características, são de grande relevância os seguintes: resposta estática dos sensores a variações dos parâmetros a serem medidos - obtida durante o processo de calibração dos sensores resposta dinâmica dos sensores (comportamento dos sensores quando submetidos a transientes dos parâmetros a serem medidos) - são de importância os seguintes casos: picos de salinidade ( spikes de salinidade) resposta do sensor de pressão a transientes de temperatura efeito da massa térmica do sensor de condutividade Picos de salinidade sintoma: oscilações abruptas dos valores de salinidade causa: defasagem entre os sinais dos sensores de temperatura e salinidade, devido a: distanciamento físico entre os dois sensores diferentes tempos de resposta dos dois sensores perfil alterado por picos de salinidade profundidade (m ) perfil ideal s alinidade Fig. 5 Conjunto de dados contendo picos de salinidade Alternativas para minimização do problema de picos de salinidade: emprego de sensores de temperatura e salinidade com mesmo tempo de resposta, montados tão próximo entre si quanto possível

12 10 pós-processamento dos dados coletados, visando à compensação da defasagem entre os sensores (valores dos tempos de resposta fornecidos pelo fabricante do instrumento ou obtidos a partir de teste em laboratório) emprego de sistema de circulação forçada de água pelos sensores, permitindo a compensação mecânica da defasagem entre os sensores (neste caso, o posicionamento relativo entre os sensores é irrelevante) 4.5. Validação dos dados Apesar de todos os cuidados na operação de um CTD, problemas não detectáveis podem ocorrer (como súbita alteração nas características de um sensor, devida a contaminação), os quais podem comprometer a qualidade dos dados coletados. Desta forma, sempre que possível durante a execução de um levantamento hidrográfico, é muito interessante valer-se de procedimentos alternativos (independentes do CTD) para validar os resultados obtidos com aquele instrumento. Dentre os possíveis procedimentos alternativos, pode-se mencionar: coleta de amostras d água com Rosette (eventualmente equipadas com termômetros de reversão), conjuntamente com a operação do CTD - a análise em laboratório das amostras permite a checagem dos dados de salinidade coletados pelo CTD utilização de sensores redundantes no CTD (especialmente, temperatura e condutividade) comparação dos dados coletados em profundidade com o diagrama TS típico das correspondentes massas d água 5. Calibração de sensores Os sensores utilizados em CTDs são sub-sistemas eletrônicos que fornecem um sinal elétrico (tensão elétrica ou freqüência) que é função dos valores dos parâmetros físicos a serem medidos. Assim, é de primordial importância que esta função seja conhecida com precisão. Para a determinação desta função, o procedimento mais freqüentemente utilizado, no caso de sensores de CTD, é sua calibração em condições simuladas de operação. O processo de calibração é particularmente árduo, devido a diversos fatores: os níveis de acurácia requeridos pelos CTDs modernos são extremamente altos cada individual sensor apresenta uma função diferente a função referente a cada sensor varia com o tempo (devido a envelhecimento dos componentes eletrônicos, contaminação do sensor, alteração de suas características físicas, entre outros fatores), exigindo sua periódica re-calibração O processo de calibração de sensores, especialmente daqueles empregados em CTDs topo de linha, é demorado, demandando cerca de 1 semana por sensor. Assim, não é viável a re-calibração de sensores muito freqüentemente. Recomenda-se a re-calibração: anualmente (idealmente, semestralmente) imediatamente antes e após um levantamento hidrográfico de grande porte

13 11 sempre que houver suspeita de que o sensor sofreu alteração significativa em suas características Descrição do processo de calibração O processo de calibração em laboratório implica, usualmente, na colocação do instrumento ou sensores a calibrar em um recipiente com água do mar (banho de calibração); a temperatura, condutividade e pressão deste banho são então modificadas de forma controlada, enquanto monitora-se a resposta do instrumento ou dos sensores. Confrontando-se os dados fornecidos pelo instrumento ou sensores e os valores dos parâmetros do banho (medidos por sensores de referência) é possível determinar-se a curva de calibração desejada. Na calibração em laboratório, diversos procedimentos alternativos podem ser adotados. Por exemplo, os diversos sensores do instrumento podem ser calibrados separadamente ou o instrumento completo é calibrado de uma só vez; com relação aos sensores de condutividade, pode-se calibrá-los através da variação da salinidade do banho ou, unicamente, da condutividade (mantendo-se a salinidade constante e variando-se a temperatura); na calibração de sensores de pressão, o instrumento completo pode ser colocado em uma câmara de pressão ou a pressão ser aplicada unicamente ao sensor respectivo. - o sistema de calibração implantado no IOUSP O Centro de Calibração do IOUSP segue o seguinte procedimento, estabelecido pelo Institut für Meereskunde da Universidade de Kiel (Alemanha): calibra-se o instrumento completo (e não os sensores isolados) para tal, o Centro dispõe de um tanque isotérmico de dimensões compatíveis com a maioria dos instrumentos oceanográficos modernos; na calibração de condutividade, a salinidade do banho é mantida constante, sendo unicamente variada sua temperatura, o que acarreta uma grande variação de sua condutividade; uma balança de peso morto ( dead weight tester ) é utilizada para a calibração de sensores de pressão, evitando a necessidade de utilização de câmaras de pressão O sistema de calibração implantado no Centro de Calibração do IOUSP é composto pelo banho de calibração e pelos diversos instrumentos de medida de referência que monitoram os parâmetros ambientais durante o processo de calibração de um instrumento. O banho de calibração inclui, basicamente, a cuba de calibração (onde é colocado o instrumento a calibrar), o sistema de circulação de água e o sistema de aquecimento / resfriamento. Sua função é criar um ambiente com condições de temperatura e salinidade extremamente controladas e homogêneas, compatível com os procedimentos de calibração adotados pelo Centro. No processo de calibração utiliza-se água do mar natural, coletada em regiões de mar aberto e posteriormente filtrada e tratada.

14 12 Durante o processo de calibração, é necessário conhecer-se os valores dos diversos parâmetros da água no interior da cuba de calibração, com um grau de precisão igual ou superior àquele do instrumento a calibrar. Desta forma, o sistema de calibração deve incluir instrumento de medida de referência de alta precisão. No Centro, utilizam-se os seguintes instrumentos: - pressão balança de peso morto Desgranges et Huot, mod temperatura termômetro de platina de precisão Pt25 Rosemount mod. 162CE, acoplado a uma ponte de resistência ASL mod. F700 (para aferição do termômetro de platina utilizam-se células de referência de temperatura de ponto triplo da água e de ponto de fusão do gálio) - condutividade salinômetro de laboratório Guildline AutoSal Figura 6 Banho de calibração instalado no Centro de Calibração do IOUSP

15 13 6. Pré-processamento de dados A fase de pré-processamento de dados objetiva a manipulação do conjunto de dados coletados por um CTD durante uma estação oceanográfica, de forma a obter-se um conjunto de dados resultante de boa qualidade, isento de erros grosseiros e valores espúrios. O pré-processamento de dados pode envolver um conjunto bastante grande de operações, podendo ser dependente, inclusive, do particular tipo de processamento final a que os dados serão submetidos. Também, diferentes grupos de pesquisa adotam distintos procedimentos para o pré-processamento. Uma descrição de diversas operações de préprocessamento de dados de CTD é apresentada em UNESCO technical papers in marine science n o 54 (UNESCO, 1988). De um modo geral, o pré-processamento envolve as seguintes operações: conversão dos dados brutos coletados pelo instrumento (freqüência ou tensão elétrica) em valores de grandezas oceanográficas eliminação de amostras grosseiramente incorretas eliminação de amostras discrepantes eliminação de dados afetados pela turbulência gerada pelo CTD compensação dos efeitos das características não-ideais dos sensores (picos de salinidade e desvios devidos à massa térmica dos sensores e transientes de temperatura) cálculo de salinidade e outros parâmetros derivados aplicação de filtro passa-baixas ao sinal ( smoothing ) conversão dos valores de pressão para profundidade e interpolação dos dados para um conjunto de profundidades com espaçamento uniforme a) Conversão dos dados brutos baseada na aplicação da função de resposta do sensor, obtida através de sua calibração usualmente, o fabricante do instrumento fornece rotinas para executar esta operação b) Eliminação de amostras incorretas definem-se faixas de valores plausíveis para os parâmetros se o valor de um dos parâmetros está fora da faixa, descarta-se todo o registro o registro descartado pode ser simplesmente eliminado, substituído pela média dos registros vizinhos ou por um registro de demarcação.

16 tem peratura (C) Fig. 6 Conjunto de dados contendo amostras incorretas tempo (s ) c) Eliminação de amostras discrepantes definem-se faixas de desvio admissível para os valores dos parâmetros em um intervalo de tempo pequeno se um dos valores de um dos registros apresenta diferença em relação ao dos registros vizinhos superior à faixa definida, descarta-se todo o registro Fig. 7 Conjunto de dados contendo amostras discrepantes tem peratura (C) tem po (s ) d) Eliminação de amostras afetadas por turbulência calcula-se a velocidade de descida do instrumento, a partir dos dados de pressão se um dos registros foi coletado quando a velocidade de descida era inferior a um limiar pré-estabelecido, descarta-se todo o registro

17 15 e) Compensação das características dos sensores modela-se teoricamente o comportamento dos sensores e obtem-se um conjunto de funções de compensação, o qual é aplicado aos dados coletados (para tal, é imprescindível a informação do tempo de aquisição dos registros) f) Cálculo de parâmetros derivados aplicação de fórmulas adequadas (ver UNESCO Technical papers in marine science 44 - UNESCO 1983) g) Filtragem dos dados existe uma vasta gama de filtros; a escolha de um específico filtro dependerá, basicamente, do processamento posterior a que os dados deverão ser submetidos h) Interpolação para profundidades com espaçamento constante analogamente ao caso anterior, o degrau de profundidade e o método de interpolação dependem, basicamente, do processamento posterior a que os dados deverão ser submetidos