ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS DE BAIXO CUSTO

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA CEFET/SC ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS DE BAIXO CUSTO Carlos Alberto da Rocha Jr Bruno Schwantes Abrianos Thiago Augusto T. S. Mibach Florianópolis, SC Abril de 2005

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE SANTA CATARINA CEFET/SC UNIDADE DE ENSINO DE FLORIANÓPOLIS GERÊNCIA DE EDUCAÇÃO GERAL E SERVIÇOS CURSO TÉCNICO DE METEOROLOGIA PROFESSORES ORIENTADORES: MÁRIO FRANCISCO LEAL DE QUADRO SÉRGIO PEREIRA CÂNDIDO ESTAÇÃO METEOROLÓGICA AUTOMÁTICA DE BAIXO CUSTO Carlos Alberto da Rocha Jr. Bruno Schwantes Abrianos Thiago Augusto T. S. Mibach Florianópolis, abril de 2005

2 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO...4 2. MATERIAL E MÉTODOS... 6 3. CARACTERÍSTICAS DAS ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS... 8 4. AVALIAÇÃO DA CONFIABILIDADE DOS DADOS COLETADOS... 11 5. SUGESTÕES DE REDUÇÃO DE CUSTOS E OTIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO... 14 6. CONCLUSÃO... 15 7. REFERÊNCIAS... 16

3 RESUMO Este estudo foi realizado com a intenção de avaliar o uso de Estações Meteorológicas Automáticas de baixo custo com o intuito de aumentar a rede de observação no Estado de Santa Catarina. Esse fato torna-se importante, pois Santa Catarina possui uma rede reduzida, com poucas estações meteorológicas automáticas. Para tal, estudou-se inicialmente os custos de aquisição de três modelos de Estações Meteorológicas Automáticas disponíveis no mercado e instaladas no CEFET/SC, das marcas CAMPBELL, SQUITTER e LA CROSSE. Uma quarta estação, não disponível no CEFET/SC, também foi utilizada no estudo apenas para fins de comparação de custos. As Estações Meteorológicas Automáticas citadas neste projeto tiveram seus desempenhos comparados mediante informações do fabricante, assim foi possível estabelecer os critérios de avaliação das estações. De acordo com as informações obtidas, foi possível concluir que é possível diminuir os custos de aquisição de uma estação meteorológica automática, o que, conseqüentemente, permite manter uma rede com elevado número de estações garantindo assim uma cobertura efetiva das condições do tempo em todo o estado de Santa Catarina.

4 1 INTRODUÇÃO As Estações Meteorológicas Automáticas surgiram com o intuito de poder realizar medidas mais precisas e em mais horários, o que permite um acompanhamento constante das condições do tempo em diversas regiões. Com a evolução tecnológica e com a necessidade de estudar as condições de uma região desprovida de uma estação, surgiu a possibilidade de transportar uma estação para fins de pesquisa. Porém uma estação meteorológica automática padrão (fixa) tem o objetivo de realizar as medições em um determinado local. Por sua vez, as estações portáteis surgiram no sentido de resolver esse problema. Além disso, o custo de uma estação meteorológica automática portátil é bastante inferior ao da fixa. Montar uma Estação Meteorológica Automática portátil não é muito difícil basta adquirir os sensores desejados, mas integrá-los pode se revelar um problema. Muitas empresas passaram a oferecer estações meteorológicas automáticas portáteis completas, bastando apenas que o cliente selecione os sensores dentro do catálogo da empresa e a mesma se encarrega de integrá-los. Esse processo, no entanto, força o cliente a pagar um preço elevado por Estação Meteorológica Automática portátil. Resolveu-se, então, avaliar, dentro de determinadas características, a viabilidade de montar uma Estação Meteorológica Automática portátil de baixo-custo. Por conseguinte, o objetivo principal deste trabalho é o de avaliar a confiabilidade das estações de baixo custo. Principalmente a precisão das leituras dos sensores meteorológicos nelas instalados. Para tal, neste projeto foram avaliados: os custos de aquisição de uma Estação Meteorológica Automática portátil diretamente de uma empresa; a opção de adquirir estações vendidas via Internet a preços acessíveis; a opção de adquirir sensores e montar uma Estação Meteorológica Automática portátil, bem como avaliar a confiabilidade destes sistemas analisando desta forma a relação custo - beneficio destas opções. Este projeto foi desenvolvido no sentido de auxiliar os órgãos de meteorologia na intenção de baratear os custos da instalação de Estações Meteorológicas

5 Automáticas no Estado de Santa Catarina, no intuito de aumentar a quantidade de estações na rede de observação meteorológica, auxiliando na melhoria da qualidade das informações para os setores envolvidos, como a agricultura, defesa civil, entre outros.

6 2 MATERIAL E MÉTODOS Para o desenvolvimento do projeto, inicialmente foi elaborada uma pesquisa bibliográfica sobre as estações meteorológicas automáticas instaladas no CEFET. Atualmente o Curso Técnico de Meteorologia possui 4 estações meteorológicas automáticas. Uma estação da marca CAMPBELL (fixa), que possui os sensores de temperatura do ar, umidade relativa do ar, pressão atmosférica, radiação solar, precipitação, direção e velocidade do vento e equipada com um Data Logger para armazenamento e transmissão de dados. Esta estação está localizada junto ao cercado da estação meteorológica convencional. Além dessa, o curso possui mais uma estação da marca SQUITTER, contendo os sensores de temperatura e umidade do ar, precipitação e direção e velocidade do vento, também conta com um Data Logger para armazenamento de dados. Possui, ainda, duas estações da marca LA CROSSE, contendo os sensores temperatura e umidade do ar, pressão atmosférica, precipitação, direção e velocidade do vento. A figura 1 ilustra as estações meteorológicas mencionadas. Um estudo comparativo também foi realizado com outras Estações Meteorológica Automáticas disponíveis no mercado (Tracom, 2005). (a) (b) (c) FIGURA 1 Estações meteorológicas automáticas das marcas SQUITTER (a), CAMPBELL (b) e LACROSSE (c), instaladas no CEFET/SC. Os critérios de avaliação de comparação entre as estações meteorológicas automáticas utilizadas neste projeto foram estabelecidos mediante avaliação do

7 desempenho das estações durante um intervalo de tempo de medição de dados, comparados com as informações do fabricante. As estações foram montadas dentro do cercado de instrumentos da estação convencional do CEFET/SC a fim de realizar as leituras na mesma área significativa. Os dados coletados pelas estações referem-se ao período de 17 de novembro de 2004 a 22 de novembro de 2004. Para a avaliação foram considerados apenas alguns dados, como temperatura do ar, umidade relativa, velocidade do vento e pressão. Cálculos estatísticos comparativos foram elaborados com o auxílio do software Microsoft Excel com a finalidade de avaliar a confiabilidade das leituras feitas pelos sensores das estações. Para efeito de comparação, neste estudo a estação Campbell foi utilizada como parâmetro de comparação por possuir maior confiabilidade. Concluindo as comparações, partiu-se para a avaliação da confiabilidade dos dados fornecidos pelos sistemas das estações que estão instaladas no CEFET/SC. Neste trabalho foram realizados o levantamento dos custos da instalação da estação meteorológica automática e a análise de dados comparativos coletados entre as estações CAMPBELL, SQUITTER e LACROSSE, conjuntamente no período estudado.

8 3 CARACTERÍSTICAS DAS ESTAÇÕES METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS As estações meteorológicas automáticas que estão envolvidas em nosso projeto foram avaliadas inicialmente por seus aspectos técnicos. Pontos como limites de operação, formas de transmissão e armazenamento de dados, simplicidade de instalação e operação. As informações foram retiradas preferencialmente dos manuais de instrução das respectivas estações e, quando necessário, foram consultados seus respectivos fabricantes. Das quatro estações presentes neste estudo apenas três delas estiveram em funcionamento dentro das dependências do CEFET/SC, sendo, portanto, a partir das comparações realizadas entre os dados coletados por essas estações que foi fundamentado este estudo. A quarta estação da marca TRACOM (Tracom, 2005) serviu apenas para base de comparação de custos e capacidades, sem ter sido posta em funcionamento. As estações meteorológicas automáticas que foram colocadas em funcionamento foram: ISIS 1220, fabricada pela SQUITTER do Brasil (Squitter, 2005); WS 2310, fabricada pela La Crosse Technology Inc. (La Crosse, 2005) e a estação fabricada pela Campbell Scientific Inc (Campbell, 2005). Finalizada a comparação das especificações técnicas das estações, foram observados alguns fatores que poderiam influenciar os resultados a serem obtidos, podendo ser citados a capa de proteção do sensor de temperatura e umidade do ar da estação WS 2310 e a ausência de sensor de pressão na estação ISIS 1220, instalada no CEFET/SC. Cabe ressaltar que, para a comparação, foi consultado o fabricante da estação ISIS 1220 sobre a existência de sensores de pressão compatíveis com a estação, sendo o custo e as características deste sensor incorporadas à tabela referente a esta estação. A capa de proteção do sensor de umidade e temperatura do ar será abordada em um capitulo mais adiante. As tabelas 1 a 4 apresentam as especificações técnicas de cada estação envolvida neste estudo.

9 TABELA 1 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA ESTAÇÃO LACROSSE Modelo: WS-2310 Fabricante: La Crosse Technology Descrição: Estação Meteorológica automática Equipamentos: Sensores de temperatura, pressão, umidade relativa, vento e precipitação. Suporte para sustentação. Sensores Limites de operação Faixa de operação Margem de erro Resposta do sensor Temperatura -29.8 C a +69.8 C ~ 0,1 C Entre 8s e 32s. Umidade : 20% to 95% Não informado Entre 8s e 32s Relativa Vento Velocidade: 50 m/s ~ 1 m/s Entre 8s e 32s Direção: não informado Pressão De 300 até 1099 hpa ~ 0,3 hpa. 30 segundos Precipitação Até 1015 mm/h Não informado Capacidade de Armazenamento 175 registros, memória volátil. Custo*: R$ 794,15 TABELA 2 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA ESTAÇÃO CAMPBELL Modelo: Não especificado Fabricante: Campbell Scientific Inc. Descrição: Estação meteorológica Equipamentos: Sensores de temperatura, umidade relativa, pressão, vento e precipitação e um dispositivo para coleta de dados (Data Logger). Suporte para sustentação. Sensores Limites de operação Faixa de operação Margem de erro Resposta do sensor Temperatura -40 C a 60 C Não informado 1 segundo Umidade De 0% a 100% De ± 2% 1 segundo Relativa Vento Velocidade: 60 m/s Velocidade: 1,1 m/s Não informado direção: 0 e 360 Direção: 1 Pressão Não informado Não informado Não informado Precipitação Não informado Não informado Não informado Capacidade de armazenamento Memória não volátil. Transmite os dados via rede, rádio modem, rádio Custo*: R$ 54.200,00

10 TABELA 3 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA ESTAÇÃO TRACOM Modelo: HOBO Fabricante: Tracom Descrição: Estação agrometeorológica Equipamentos: Sensores de temperatura, umidade relativa, vento e precipitação e um dispositivo para coleta de dados. Suporte para sustentação. Sensores Limites de operação Faixa de operação Margem de erro Resposta do sensor Temperatura -40 C a 75 C 0,4 C, a 25 C Até 8 minutos com UR a 90% e vento de 2 m/s Umidade Relativa Acima de 3% Vento Velocidade: 44 m/s direção: 0 e 358 Pressão De 660 hpa a 1070 hpa Precipitação 10 cm/h, 4000 tombamentos/h Capacidade de armazenamento Custo*: R$ 12.847,00 De 0,5% até 3%, entre 0 C e 50 C. Velocidade: ~0,19 m/s Direção: ~ 1,4 2,5 hpa, entre -10 C e 60 C 0,2mm Até 5 minutos com UR a 90% e vento de 2 m/s Não informado. Não informado. Não informado. Memória não volátil, até 500.000 medições. Intervalo entre registros de 1 s a 9 h. TABELA 4 ESPECIFICAÇÕES TÉCNICAS DA ESTAÇÃO SQUITTER Modelo: ISIS S1220 Fabricante: Squitter do Brasil Descrição: Sistema de coleta de dados ambientais Equipamentos: Sensores de temperatura, umidade relativa, vento e precipitação e um dispositivo para coleta de dados. Suporte para sustentação. Sensores Limites de operação Faixa de operação Margem de erro Resposta do sensor Temperatura -40 C a 124 C ± 0,4 C entre 5 C e 40 C Entre 5 e 30 segundos Umidade Relativa 0% a 100% ± 2% entre 10% e 90%, 4 segundos calibrado entre 25 C e Vento Velocidade: 0 m/s a 60 m/s Direção: 0 a 360 48 C Velocidade: ± 0,3 m/s Direção: ± 3 Não informado Pressão 600 hpa a 1100 hpa 0,25% Não informado Precipitação Não informado 1% com precipitação Não informado média de 30 mm/h Capacidade de armazenamento 10.000 registros, em média 420 registros diários. Intervalo entre registros de 1 minuto a 1 hora Custo**: R$ 9.486,28 * Preços repassados em dólares (US$) e convertidos para Reais (R$) tendo como base o valor do Dólar no dia 31 de março de 2005. (US$ 1,00 = R$ 2,65). ** Custo da estação incluindo o sensor de pressão, não instalado na estação do CEFET/SC

11 4 AVALIAÇÃO DA CONFIABILIDADE DOS DADOS COLETADOS As estações meteorológicas automáticas em estudo foram instaladas dentro do cercado de instrumentos da estação meteorológica convencional do CEFET/SC, de modo que seus sensores estivessem expostos às mesmas condições meteorológicas. Essas estações tiveram seus sistemas ajustados para efetuar os registros nos mesmos horários e funcionar conjuntamente no período de 17 de novembro de 2004 até 22 de novembro de 2004, obtendo um total de 117 registros de leituras. A primeira avaliação referiu-se ao sensor de temperatura da estação La Crosse (Figura 2), que apresentou um aquecimento maior do que o esperado, possivelmente associado ao desenho da capa protetora do sensor. Cogitou-se, então, o desenvolvimento de uma nova capa, uma vez que os novos sensores da fábrica já estão sendo vendidos com uma capa nova. Essa solução pode melhorar o desempenho do sensor, possibilitando uma leitura mais precisa. Temperatura do Ar Temperatura ( C) 33 31 29 27 25 23 21 19 17 15 Periodo: 17/11 a 22/11 La Crosse Squitter Campbell FIGURA 2 Temperatura do ar (C) em superfície registrada entre os dias 17 e 22 de novembro de 2004.

12 Pressão Atmosférica Pressão (hpa) 1022 1021 1020 1019 1018 1017 1016 1015 1014 1013 1012 1011 1010 1009 1008 1007 1006 1005 Período 17/11 a 22/11 La Crosse Campbell FIGURA 3 Pressão atmosférica (hpa) registrada entre os dias 17 e 22 de novembro de 2004. Quanto ao sensor de pressão atmosférica (Figura 3) da estação La Crosse, o mesmo apresentou uma variação em torno de 4 hpa nos registros de pressão, registrando, porém, o mesmo perfil de onda barométrica registrado pela estação Campbell. Umidade Relativa UR (%) 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 Período 17/11 a 22/11 La Crosse Squitter Campbell FIGURA 4 Umidade relativa do ar (%) registrada entre os dias 17 e 22 de novembro de 2004.

13 Em relação ao sensor de umidade relativa (Figura 4) da estação Squitter, este apresentou uma grande diferença no início dos registros e não teve um motivo associado com essa falha. Supõe-se que esta estação tenha sido instalada junto ao cercado somente no dia 19. Velocidade do Vento Velocidade (m/s) 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Período 17/11 a 22/11 La Crosse Campbell FIGURA 5 Velocidade do vento (m/s) registrada entre os dias 17 e 22 de novembro de 2004. O sensor de vento, por sua vez, esteve com registros satisfatórios dentro da margem de erro, levando-se em conta que o sensor da estação La Crosse estava a 2 metros de altura e o da estação Campbell estava a 10 metros de altura. Após a análise dos gráficos é possível concluir que as menores discrepâncias podem ser enquadradas dentro da margem de erro apresentada pelos sensores, de acordo com seus fabricantes.

14 5 SUGESTÕES DE REDUÇÃO DE CUSTOS E OTIMIZAÇÃO DE DESEMPENHO Como parte do objetivo deste trabalho, avaliaram-se algumas opções de redução de custo para a instalação das estações e pôde-se notar que uma grande parcela do custo da estação refere-se ao tipo de suporte onde deverá ser instalada a mesma, pois os custos com instalação chegam a ser superiores que alguns sensores ou até mesmo algumas estações completas! Resolveu-se, então, comparar os custos de instalação após o desenvolvimento de um suporte de sustentação do tipo tripé pelo Professor Sérgio Cândido, para a estação La Crosse, e que ficou com seu custo em torno de R$ 40,00, o que acaba gerando uma economia muito grande quando comparado aos suportes do tipo tripé das estações Squitter, aproximadamente R$ 500,00, e Tracom, aproximadamente R$ 1.000,00. Também foi cogitada a fabricação dos cabos que fazem as diversas conexões nas estações, pois se sabe de empresas nacionais que fabricam cabos para componentes eletrônicos de diversos tipos, e que, com essa fabricação, pode-se economizar ainda mais. Outro ponto estudado foi a otimização de alguns sensores, principalmente o sensor de temperatura e de umidade relativa da estação La Crosse, que durante as avaliações de confiabilidade de dados teve um bom desempenho, porém apresentou o problema de registrar uma temperatura mais elevada em dias mais quentes, devido ao desenho de sua capa protetora Há informações na pagina da Internet da empresa La Crosse Technology que estes sensores já estão saindo de fábrica com uma nova capa de proteção. Sugeriu-se, também, o desenvolvimento de um equipamento que pudesse melhorar o desempenho de transmissão de dados da estação La Crosse, e que este sistema poderia ser também adaptado de forma que permita à estação Squitter transmitir seus dados para uma central afastada da estação, uma vez que a estação Squitter instalada no CEFET/SC não permite a transmissão de dados. A estação La Crosse, apesar de permitir a transferência via rádio, possui alcance efetivo de 30 metros, uma distância muito pequena considerando a possibilidade de ser uma estação integrada a uma rede de observação meteorológica.

15 6 CONCLUSÃO O alto valor de uma estação meteorológica automática, atualmente, é facilmente justificado pela tecnologia que está sendo empregada. Porém este estudo demonstra que é possível obter uma considerável redução de custos na aquisição e instalação de uma estação meteorológica automática levando-se em conta as sugestões propostas, como o suporte alternativo. Alguns dos valores inicialmente pesquisados foram facilmente reduzidos com o desenvolvimento de acessórios. O caso mais marcante neste projeto em que comparamos o valor dos suportes de sustentação originais com o valor final do desenvolvimento de um suporte nas dependências do CEFET/SC pelo Professor Sérgio Pereira Cândido. Com a comparação dos dados obtidos e com a identificação da causa de prováveis discrepâncias, pode-se concluir que é possível efetuar uma redução de custos sem afetar a qualidade dos dados observados.

16 7 REFERÊNCIAS Campbell Scientific Inc..Disponível em: < www.campbellsci.com>. Acesso em: 20/03/2005. ISABELA. Estação Meteorológica Squitter - DCP048/2005. [mensagem pessoal]. Mensagem recebida por <thiagomibach@yahoo.com.br> data de recebimento, 1 de abril de 2005. La Crosse Technology. Disponível em:. <www.lacrossetechnology.com>. Acesso em: 20/03/2005. SOMLO, J. C. Estação Meteorológica Tracom Meteor/Hobo. [mensagem pessoal]. Mensagem recebida por <thiagomibach@yahoo.com.br> data de recebimento, 29 de março de 2005. Squitter do Brasil. Disponível em:< www.squitter.com.br>. Acesso em: 20/03/2005. Tracom Importação e Exportação Ltda. Disponível em:. <www.tracom.com.br>. Acesso em: 20/03/2005.