Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores. Mini Market Survey

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1 Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Mini Market Survey ACM1 Instrumentação de Tanque equipa: over F low Sistemas de Engenharia Automação e Instrumentação André dos Santos Oliveira Bernardo Miguel Carvalho Silva Bruno Miguel Fernandes Augusto Diana Marina de Sousa Neves Fátima Cristina Oliveira Airosa Filipe dos Santos Teixeira Flávio Jorge Rodrigues de Amorim Henrique Luís dos Santos Pinto Miguel Freire Pimentel Morais Rui Miguel Jordão Xavier Outubro de 2014 Versão 1.1

2 I Versões Versão Data Descrição Autores Estrutura preliminar do Mini Market Survey, Introdução e edição de conteúdos Henrique Pinto Revisão e correção do documento Diana Neves 1. Introdução 1.1 Objetivos O presente documento consiste numa síntese das informações mais relevantes do documento referente Market Survey e tem como objetivo uma transmissão mais rápida, fácil e sucinta das temáticas abordadas no documento oficial respetivo. 1.2 Metodologia Para a realização deste Mini Market Survey, reuniram-se as informações mais pertinentes do Market Survey, tendo algumas soluções sido colocadas de parte, neste documento, por não se evidenciarem adequadas ao sistema a desenvolver. Outras serão aqui abordadas de forma muito sucinta. De notar que as referências a capítulos indicadas neste documento, têm respeito aos capítulos do documento original. 1.3 Estrutura Por forma a otimizar a abordagem dos problemas de engenharia envolvidos no sistema de instrumentação do tanque optou-se por separar o sistema em quatro grandes áreas, nomeadamente: Cap. 2. Medição de Forças Cap. 3. Perturbações Aquáticas Cap. 4. Sistemas de Localização Subaquáticos Cap. 5. Localização à Superfície Aquática 2. Medição de forças No âmbito do subsistema de medição de forças, encontraram-se três principais tipos e, de uma forma geral e para efeitos de comparação, os respetivos custos rondam os abaixo indicados: Solução mecânica: 200 a Solução acústica: a Solução de indução eletromagnética: a partir de Quando se pretende medir uma força, idealiza-se de imediato a utilização de uma balança. Este conceito está correto, embora numa análise mais cuidada se constate que existem vários métodos de aplicação de forças sobre um objeto. A solução de dinamómetro (exposta em 2.2 no Market Survey) torna-se impraticável, pois apenas permite medir forças segundo um único eixo. Contudo, conforme exposto em 2.3, é possível medir as várias componentes de força empilhando várias balanças, por forma a cada uma estar direcionada para medir um eixo específico. Esta construção é designada de célula de carga. Uma outra técnica mais evoluída para medição de forças consiste na utilização de um sensor diferencial para medir a diferença existente entre as forças aplicadas a cada uma das suas extremidades, obtendo assim a força resultante. No entanto, torna-se complexo medir forças segundo diversos eixos, uma vez que seriam necessários vários tubos de Pitot dispostos perpendicularmente entre si.

3 Dos processos de medição abordados, a metodologia aplicada nas células de carga é a que apresenta melhores caraterísticas face à tecnologia rudimentar da utilização de dinamómetros ou à utilização complexa, no que toca à estrutura e à mecânica de fluidos, de tubos de Pitot. Contudo, esta solução também permite a medição da velocidade e do caudal da água, tendo em conta que se pretende utilizar uma estrutura cilíndrica para geração de correntes aquáticas, o que será falado no capítulo seguinte. Quanto à medida isolada de velocidade e caudal da água, as soluções mecânicas são, sem dúvida, as mais adaptadas ao sistema a ser projetado e as mais baratas. Para além disso, são também as soluções tecnicamente mais simples quando comparadas com as soluções de indução eletromagnética e ultrassónica. No que toca ao posicionamento mecânico para leituras fiáveis e havendo necessidade de operar manualmente no que respeita a condicionamento, filtragem e processamento de sinal de saída dos sensores, seria também mais fácil e adequado às limitações do projeto apesar de que, como resultado final, se obteria melhor precisão com as soluções acústicas. 3. Perturbações aquáticas As três principais abordagens ao problema das perturbações aquáticas são: em habitat natural (sistema fechado), em simulação computacional e em fluido equiparável. A primeira consiste numa solução de aproximação da dinâmica do sistema submarino-água em ambiente não controlado, através da criação de fluxos de água com recurso a motores ou bombas de água (Cavitation Tunnel Túnel de Cavitação) ou, numa perspetiva diferente, pela criação de uma estrutura que arrasta o veículo ao longo de umas dezenas de metros num tanque de água geralmente não circulante (Towing Tank Tanque de Reboque). A segunda abordagem consiste no uso de software de simulação computacional. O recurso a ferramentas deste tipo para a simulação do sistema dinâmico pretendido permite-nos impor e controlar variáveis, cuja criação e controlo físicos acarretam uma dificuldade extrema, com reduzido esforço financeiro. Existem vários programas que nos permitem modelar o problema em questão, baseando-se em tecnologia CFD (Computational Fluid Dynamics), nomeadamente o SolidWorks, Symscape e Autodesk. A terceira e última abordagem baseia-se no facto de tanto a água como o ar serem fluidos compostos por moléculas em movimento contínuo e aleatório, o que torna o seu comportamento dinâmico semelhante em vários aspetos. De facto, com os devidos cálculos e ajustes, é possível estimar os impactos de um fluxo de água a partir das medições experimentais de um túnel de vento. Assim, o teste de modelos de veículos subaquáticos em túneis de vento representa uma forma cost effective de avaliar a estabilidade, as características de controlo e a performance de propulsão deste tipo de veículos. Comparadas as três abordagens, destaca-se a eficácia com que qualquer uma das mesmas serviria o propósito. Contudo, no que diz respeito à viabilidade de execução, a equipa identifica a hipótese de software CFD como a mais concretizável. Esta destaca-se, primeiramente, pelos custos envolvidos na sua atividade e, num segundo plano, pela diversidade de testes possíveis de realizar sem grande esforço acrescentado e respetivas leituras de todos os valores de interesse. 4. Sistemas de localização subaquáticos Essencialmente distinguiram-se três tipos de sistemas de localização subaquáticos, consoante a tecnologia utilizada: sistemas baseados em comunicações óticas, acústicas e em ondas eletromagnéticas. Os sistemas baseados em comunicações óticas têm uma velocidade de propagação alta. Porém, devido às partículas em suspensão e água turva, são uma má opção para longas distâncias.

4 As ondas eletromagnéticas (EM) podem ser a solução quando se pretende uma boa taxa de transferência sem se ter problemas de reflexão e refração das ondas e perturbações criadas pelas partículas suspensas na água. Apesar de não apresentarem distâncias de propagação muito elevadas, são perfeitamente viáveis para as dimensões máximas do sistema em estudo. Ainda assim, dependem da permeabilidade, permissividade, condutividade e densidade elétrica da água e quanto maior a frequência destas ondas, maior é a atenuação devido à condutividade da água. As ondas acústicas apresentam características de propagação na água superiores à propagação no ar sendo amplamente adotadas pelos sistemas de localização para determinar o posicionamento horizontal de veículos debaixo de água, já que o posicionamento vertical pode ser dado diretamente através de um medidor de pressão. Quanto à distância entre sensores, distinguem-se alguns tipos de localização acústica, nomeadamente, Ultra Short Baseline (até 10cm), Short Baseline (de 20 a 50m) e outros menos adequados ao sistema em estudo. Tanto as comunicações acústicas como EM recorrem a métodos de localização por trilateração, multilateração e/ou por ângulos de chegada (AoA Angle of Arrival). Comparando as diferentes abordagens ao problema verifica-se que qualquer uma das anteriores poderia ser uma boa solução. No entanto, no que toca à relação complexidade/preço, a equipa identifica as hipóteses de localização por ondas EM e pelo método Ultra Short Baseline como as mais concretizáveis. A primeira destaca-se pela elevada taxa de transferência de dados, mas é pouco explorada e documentada devido à sua dificuldade de propagação na água. Já a segunda prima por uma excelente propagação na água, mas oferece baixa taxa de transferência de dados. 5. Localização à Superfície Aquática Com base nas descrições das várias tecnologias existentes no mercado abordadas no Market Survey, apresenta-se a Tabela 1 que sintetiza os aspetos mais relevantes de cada tecnologia para efeitos de comparação, consoante a aplicação desejada. Tabela 1 - Comparação das tecnologias para localização à superfície aquática No presente caso de estudo do sistema de instrumentação de um tanque, mais concretamente neste subsistema de localização à superfície, é previsível que a precisão seja um fator crítico e que o alcance máximo seja igual ou superior à dimensão de uma piscina olímpica. Outro fator determinante para que o sistema seja implementável em variados tipos de embarcações, é o

5 uso de sistemas que requeiram uma fonte de energia na própria embarcação, uma vez que esta, tendo em conta a escala do problema, pode não estar disponível ou não ser fisicamente implementável em determinados tipos de embarcações. A solução referente à utilização de um sensor ótico e com recurso a um software de processamento de imagem é a que apresenta maior viabilidade para o desafio em questão, uma vez que tem um custo de implementação reduzido e permite a identificação de mais do que um objeto. Além disso, a sua precisão é muito elevada, embora dependa da distância do sensor ao objeto e das perturbações, as quais são facilmente filtradas. Isto deve-se ao facto de se tratar de uma localização em ambiente controlado.