Projeto de Iniciação Científica Centro Universitário da FEI Desenvolvimento de sensor elétrico para monitoramento remoto de tempestades atmosféricas Nome do orientador: Rosangela Barreto Biasi Gin Depto: Física Nome do co_orientador: Mário Kawano Depto: Elétrica Nome do aluno: Gustavo de Oliveira Cavalheiro No. 11.108.817-5 Início do projeto: Fevereiro de 2010 Término do projeto: Janeiro de 2011 Duração: 12 meses
Resumo O estudo das tempestades atmosféricas está associado à técnica empregada na medida. Existem várias formas de se identificar uma tempestade e uma descarga atmosférica. Uma delas é através do campo elétrico local. O estudo da forma de onda de uma descarga atmosférica, obtida através de medidas de campo elétrico local, traz informação sobre as características físicas do fenômeno e de sua interação com o meio. O principal objetivo deste projeto é dar continuidade ao desenvolvimento do sensor Field Mill desenvolvendo um protótipo de monitoramento remoto das tempestades. Este desenvolvimento tem como proposta monitorar regiões de difícil acesso ou com pouca infra-estrutura. Palavras-chave: 1. Descargas atmosféricas 2. sensores 3. campo elétrico Objetivo e justificativa O principal objetivo deste projeto é produzir sensores elétricos para monitoramento remoto de tempestades. Atualmente os sensores desenvolvidos utilizam uma interface externa para a captura dos dados. Esta interface é ligada a um computador de forma a adquirir e armazenar as informações. Este sistema de captura e transmissão de dados exige infraestrutura local de monitoramento, nem sempre encontrada nos locais de interesse. Desta forma, este projeto propõe desenvolver um sensor Field Mill com um sistema interno de aquisição e transmissão de dados, facilitando o monitoramento das tempestades em áreas com pouca infra-estrutura ou até mesmo em regiões de difícil acesso. A proposta de desenvolvimento aqui apresentada, vem contribuir com a comunidade nacional e internacional, não só no que tange ao desenvolvimento tecnológico de sensores elétricos bem como no auxilio do monitoramento contínuo de tempestades severas.
Revisão bibliográfica As nuvens de tempestades podem ser monitoradas através do campo elétrico local (Gin et al, 2005). Estas tempestades apresentam fortes intensificações no campo elétrico local onde é possível identificar suas fases de desenvolvimento. A região da grande São Paulo e Grande ABC tem-se destacado em relação a grande ocorrência de enchentes (Pereira et al, 2005). Isto deve-se ao efeito Ilha de calor onde há maior aquecimento sobre as grandes cidades. Desta forma, torna-se importante o monitoramento local destas tempestades através da técnica de campo elétrico. As descargas atmosféricas são fenômenos naturais que exibem grande fascínio pela sua beleza e pelo seu poder de destruição. Grande parte da população sofre com os efeitos diretos ou indiretos das descargas atmosféricas. Um estudo feito nos Estados Unidos e na França mostram que cerca de 100 pessoas são atingidas por ano por descargas atmosféricas sendo 10% destas vítimas fatais (Holle e Cooper, 2000; Gourbiere, 1999). No Brasil, ainda não se tem esta estatística, mas estudos recentes feitos mostram que a densidade média de descargas atmosféricas no sudeste do Brasil é cerca de 12 descargas / km 2 por ano. Esta densidade é similar a densidade da Flórida que é a região considerada na América do Norte como a capital das descargas atmosféricas (Gin et al, 2000). Relâmpagos são fenômenos naturais constituídos por uma sucessão descargas atmosféricas com duração da ordem de alguns segundos As descargas podem ocorrem entre nuvens, entre a nuvem e o solo, entre a nuvem e a ionosfera e dentro da nuvem. Este último tipo é o que ocorre com mais freqüência. As descargas atmosféricas que iremos identificar são descargas do tipo nuvem-solo e descargas intranuvem. Estas descargas, são na sua maioria, descargas múltiplas de polaridade negativa e apresentam intensidade média de corrente de 30kA (Gin et al., 2000). A faixa de freqüência dessas descargas varia de 0,1 a 10 MHz e o campo eletrostático é da ordem de 1 a 10 4 V/m (Uman, 1987). Sensores similares a bordo de balão estratosférico identificaram relâmpagos no sudeste do Brasil na faixa de 1 a 10 khz e campo da ordem de
alguns volts por metro (Pinto et al., 1992). A descrição básica do sensor que será desenvolvido neste projeto está descrito a seguir. Os sensores do tipo Field Mill são formados por três placas planas e paralelas. Duas delas formam um capacitor gerando assim um sinal elétrico. A terceira placa é do tipo obturador, ligada a um eixo girante, bloqueando momentaneamente o campo elétrico aplicado ao sensor. A obstrução do campo elétrico em intervalos de tempo constantes induz e repele corrente da placa sensora conforme mostra a figura 1. Utilizando um amplificador, transformamos este fluxo de corrente em tensão proporcional ao campo elétrico.. (a) (b) Figura 1- Placa sensora (a) carregada positivamente e placa sensora obstrutora (b) O fluxo de carga Q(t) induzida na antena identifica o comportamento do campo elétrico do solo. A componente normal da densidade de fluxo elétrico D = ε 0 E requer que ε 0 E n = Q/A onde E n é a intensidade do campo elétrico normal à superfície da antena, Q é a carga induzida e A é a área da antena, considerando que a carga está uniformemente distribuída pela superfície. A variação temporal do campo elétrico introduz um sinal de tensão cuja amplitude é proporcional ao campo elétrico ambiente e assim podemos identificar os eventos. Assim, temos: E n = Q / Aε 0
sendo a tensão depois do circuito integrador V = Q / C segue então que V = ( Aε / C) E. 0 n A Figura 2 mostra o sensor Field Mill desenvolvido na FEI. O sistema mecânico é constituído basicamente de um motor, duas hélices com oito pás e um cilindro blindado para proteção do circuito eletrônico e sustentação mecânica. Para movimentar a hélice de obstrução do campo elétrico, foi utilizado um motor CA de 110V. Figura 2 Esquema mecânico do sensor Field Mill
O sistema elétrico do sensor é constituído de placas sensoras, amplificadores e filtros. O diagrama de bloco e o circuito completo é mostrado na figura 3. Figura 3a - Diagrama de blocos do circuito utilizado. Figura 3b. Circuito elétrico do sensor desenvolvido na FEI.
As placas sensoras geram sinais da ordem de dezenas de milivolts sendo necessário a utilização de amplificadores do tipo inversores. Foram também utilizados amplificadores operacionais em configuração não inversora para calibração dos sensores. A freqüência de obstrução do campo elétrico, gera um sinal de freqüência da ordem de 420Hz. Tal sinal apresenta um componente importante na freqüência da rede elétrica, por isso foi necessário a utilização de filtros de quinta e oitava ordem a fim de minimizar as interferências. Materiais e Métodos. A proposta de desenvolvimento aqui apresentada, tem como foco criar sensores Field Mill para monitoramento remoto das tempestades. Atualmente a aquisição e a transmissão de dados é feita através de equipamentos externos, instalados próximo ao sensor. Esse sistema de aquisição e transmissão de dados exige infra-estrutura local para manter os equipamentos ligados na rede elétrica, o que nem sempre é viável. Assim, este projeto propõe um sistema interno de aquisição e transferência de dados para um monitoramento remoto em áreas de difícil acesso ou com pouca infra-estrutura de monitoramento. Neste projeto iremos investigar os microcontroladores e transmissores responsáveis pela automação da aquisição, armazenamento e transferência de dados. Além disso, este projeto visa ajustar os sensores para componentes e materiais mais estáveis para atender o monitoramento tanto em áreas urbanas como em áreas litorâneas. O aluno tem bom conhecimento em eletrônica e se mostra bastante interessado no desenvolvimento deste projeto. Além dos desenvolvimentos aqui apresentados, o aluno já
participa da Campanha de monitoramento contínuo de 2009-2010 e irá participar da campanha 2010-2011 com os novos sensores desenvolvidos. Como este projeto é inter_disciplinar, estaremos utilizando a infra-estrutura dos departamentos de física e de elétrica da FEI. Segue abaixo o cronograma de execução das principais atividades que serão desenvolvidas durante este projeto. Cronograma Etapas \ meses 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Introdução à Eletricidade atmosférica Introdução a sistemas de medição de campos atmosféricos Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos protótipos Instalação e calibração de sensores Campanha 2009-2011 Análise de desempenho dos sensores desenvolvidos Proposta de novas configurações Divulgação dos resultados Relatórios Referências Bibliográficas [1]Gin, R.B.B., E. A. Williams, C.A.A. Beneti and A. J. Pereira Filho, M. Jusevicius, M. Kawano, R. Bianchi and M. Bellodi The electrical meteorological monitoring conditions in Sào Bernardo do campo, São Paulo State: a case study. Submetido IN: INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LIGHTNING PROTECTION, São Paulo, Brazil, 2005. [2]Pereira Filho A. J., M.T.L.Barros, R. Hallak, A. W. Gandu Enchentes na região metropolitana de São Paulo: Aspectos de mesoescala e avaliação de impactos. XIII CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, Fortaleza, Ceará, agosto de 2005
[3]Holle, R. L.; Cooper, M How to decrease today s lightning disabilities. IN, INTERNATIONAL CONFERENCE ON ATMOSPHERIC ELECTRICITY, 2000, Guntersville, Alabama, International Conference on Atmospheric Electricity, 2000. [4]Gourbiere,E. Lightning Injuries to humans in France. IN, INTERNATIONAL CONFERENCE ON ATMOSPHERIC ELECTRICITY, 1999, Guntersville, Alabama, International Conference on Atmospheric Electricity, 1999. [5]Gin, R.B.B., C.A.A. Beneti and A. J. Pereira Filho, Cloud-to-ground lightning flash density of South-Southeastern of Brazil. IN: INTERNATIONAL LIGHTNING DETECTION CONFERENCE, Tucson, USA, 2000. [6] Uman M. A. The Lightning Discharge. Orlando, Florida: Academic Press Inc. 1987. 377p. (International Geophysics Series Vol.39) [7]Pinto Jr., O.; Pinto, I.R.C.A.; Gin, R.B.B.; Mendes Jr., O.; Gonzalez, W.D. A coordinated study of a storm system over the south american continent, 1. Journal of Geophysical Research, 97 (D16) : 18195-18204, Nov. 1992.