SENSOR DE MONITORAMENTO DO CONSUMO DE ÁGUA Camila Madeiros Alcântara Faculdade de Engenharia Elétrica CEATEC camilamadeiros@hotmail.com Alexandre de Assis Mota Eficiência Energética CEATEC amota@puc-campinas.edu.br Resumo: Este projeto objetivou o desenvolvimento de um protótipo que poderá ser utilizado para o monitoramento do consumo de água em torneiras já instaladas no CEATEC, da Pontifícia Universidade Católica de Campinas. O dispositivo utiliza como sensor um microfone de eletreto, pois possui custo baixo além de não interferir no encanamento. Com os dados obtidos nas analises é possível verificar o volume de água que a torneira utiliza, além de obter qual é o gasto de água do sistema predial hidráulico. Com as analises nas torneiras poupadoras é feita uma relação entre volume e tensão. Um dos seus problemas identificados no desenvolvimento é que como o sensor capta o som da torneira, podendo ocorrer a interferência de sons externos, o que pode prejudicar as analises; com isso seus dados não são exatos. A solução encontrada foi blindar o sensor para que isso não ocorra. Palavras-chave: Microfone de eletreto, Consumo de água, Sensores. Área do Conhecimento: Engenharia Elétrica. 1. INTRODUÇÃO O sensor de consumo de água foi desenvolvido para ser utilizado para o monitoramento do consumo de água em torneiras já instaladas no CEATEC, especificamente das marcas DOCOL e DECA, visando verificar o gasto de água do sistema predial. Para o dispositivo sensor, dentre aas varias possibilidades de sensores, foi escolhido o microfone de eletreto por sua disponibilidade, custo baixo e por ser de fácil montagem, não interferindo com o sistema de encanamento das torneiras do CEATEC para obter os resultados. O protótipo apresenta vários níveis, podendo assim separar a entrada monitorada em vários tipos de volume e possibilitando medir o gasto de água do sistema predial hidráulico. Esses dados, porém, não podem ser considerados precisos pois uma vez que o sensor capta o som da torneira, é possível que sons externos interfiram na medição. O circuito selecionado para apoiar o sensor (microfone de eletreto) está ilustrado na figura 1. Figura 1: Circuito básico do sensor de fluxo. 2. DESENVOLVIMENTO E RESULTADOS OBTIDOS As medições foram feitas nos sanitários próximos aos laboratórios de Meio Ambiente e Hidráulica do Centro de Ciências Exatas, Ambientais e de Tecnologias (CEATEC) da PUC-Campinas, nas torneiras poupadoras de acionamento manual, modelo presmatic, da marca DOCOL e torneiras poupadoras de acionamento automático por sensor, da marca DECA. Para o funcionamento do sensor, foi utilizada uma bateria de 9 Volts. Sua saída foi ligada a um osciloscópio com ajuda de um computador para a visualização das formas de onda. As figuras 2, 3, 4 representam o aspecto físico do circuito sensor, as saídas do circuito sensor já blindado, na ausência de estímulos e quando excitado com o sinal senoidal constante, respectivamente.
Figura 2 Aspecto físico do circuito sensor. Os materiais usados para os estudos foram: Cronômetro: marcar quanto tempo a torneira permanece ligada. Béquer: adquirir volume de água em um determinado tempo. Osciloscópio: visualizar o sinal do dispositivo sensor, para que seja analisado posteriormente. Dispositivo sensor: sensor de monitoramento do consumo de água. Para a analise dos estímulos foi utilizado o programa Scilab para: Medir a media e variância para cada dado obtido através das analises. Construção de gráficos. A torneira do modelo presmatic da marca DOCOL, após acionada, permanece ligada aproximadamente 8 segundos. Já a torneira da marca DECA, após o cancelamento do acionamento, permanece ligada aproximadamente 2 segundos sem ser utilizada. Foram feitas três tipos de medições na torneira DOCOL, utilizando o sensor de monitoramento do consumo de água, osciloscópio, cronômetro, e béquer, a saber: Figura 3 Saída do circuito sensor já blindada, na ausência de estímulos. a) Medida inicial, torneira desliga em aproximadamente 8 segundos: o sensor foi colocado próximo a saída de água da torneira. Ao ser acionada manualmente, o cronometro é ligado e é parado no momento em que a torneira desliga; o osciloscópio capta os estímulos no momento que a torneira é ligada, conforme a Tabela 1 e a figura 5 - TORNEIRA DOCOL. Tabela 1 - TORNEIRA DOCOL Figura 4 Saída do circuito já blindado, com estimulo senoidal.
Figura 5 Saída do circuito para torneira DOCOL Após as medições, os gráficos da saída obtida em cada ensaio puderam ser obtidos, utilizando o Programa Scilab, conforme as figuras de 6 a 11. Figura 7 Saída do circuito para teste MEDI 3 Figura 8 Saída do circuito para teste MEDI 4 Figura 9 Saída do circuito para teste MEDI 8 Figura 6 Saídas do circuito para teste MEDI 1-2
Figura 10 Saída do circuito para teste MEDI 12 Tabela 2 TORNEIRA DOCOL, MEDIDA DE 4 SEGUNDOS Figura 11 Saída do circuito para teste MEDI 14 b) Medida inicial, torneira desligada após 4 segundos: nesse caso foi utilizada uma fita hellerman para que a torneira permaneça ligada aproximadamente 4 segundos (em uso normal ela permanece ligada aproximadamente 8 segundos). Colocou-se a fita para demonstrar como seria se tivesse a opção de acionar apenas até a metade da torneira. O sensor é posicionado próximo a saída de água da torneira. Quando mesma é acionada manualmente, o cronometro é ligado e parado aproximadamente nos 4 segundos, pois propositalmente o lugar onde a fita helllerman é posicionada só deixa a torneira permanecer acionada esse tempo, o osciloscópio capta os estímulos no momento que a torneira é ligada. Ver Tabela 2 e figura 12 - TORNEIRA DOCOL-MEDIDA DE 4 SEGUNDOS. Depois das medições, foram obtidos os gráficos de saída de tensão, utilizando o Programa Scilab, ilustrados nas figuras de 13 a 18. Figura 12 Saída do circuito para torneira DOCOL, medida de 4 segundos Figura 13 Saída do circuito para teste ADC 2
Figura 14 Saída do circuito para teste ADC 3 Figura 17 Saída do circuito para teste ADC 8 Figura 15 Saída do circuito para teste ADC 4 Figura 18 Saída do circuito para teste ADC 9 c) Medida na metade do tempo: nesse teste, o sensor é posicionado próximo a saída de água da torneira, que ao ser acionada permite que o osciloscópio capte o sinal após aproximadamente 4 segundos, conforme a Tabela 3 e a figura 19 - TORNEIRA DOCOL-MEDIDA DE 8_4. Figura 16 Saída do circuito para teste ADC 5 Tabela 3 TORNEIRA DOCOL, MEDIDA DE 8_4
Figura 19 - TORNEIRA DOCOL-MEDIDA DE 8_4. Figura 20 Saída do circuito para teste A 3 Nessa tabela, temos: TEMPO MEDI U: tempo que foi medida a tensão TEMPO TOTAL: tempo que a torneira leva para desligar. Após as medições, os gráficos da saída obtida em cada ensaio puderam ser obtidos, utilizando o Programa Scilab, conforme as figuras de 18 a 22. Figura 21 Saída do circuito para teste A 4 Figura 18 Saída do circuito para teste A 1 Figura 22 Saída do circuito para teste A 5 Figura 19 Saída do circuito para teste A 2 Assim, para essa torneira foram feitas esses 3 tipos de medições para verificar a influência das diferentes formas de acionamento. Foi verificado que a vazão aumenta com o tempo e que entra em equilíbrio depois de alguns segundos. Já a torneira DECA, foi feita apenas um tipo de medição. Nesse caso, a torneira foi acionada rapidamente para ver quanto tempo a mais ela ficaria a- cionada sem estar em uso. Verificou que permanece ativa 2 segundos sem que esteja sendo utilizada,
conforme a Tabela 4 e a figura 23 - TORNEIRA DECA. Tabela 4 - Torneira DECA Figura 25 Saída do circuito para teste S 4 Figura 23 Saída do circuito para torneira DECA Após as medições, os gráficos da saída obtida em cada ensaio puderam ser obtidos, utilizando o Programa Scilab, conforme as figuras de 24 a 28. Figura 26 Saída do circuito para teste S 5 Figura 24 Saída do circuito para teste S 3 Figura 27 Saída do circuito para teste S 7
O método de utilizar a media das tensões não é eficiente, pois não há um valor exato de tensão para um valor determinado de volume. Assim, torna-se necessário determinar a envoltória de cada gráfico para uma medida mais confiável. As figuras 30 e 31, representam o gráfico normal e o outro se tivesse sido analisado com o envoltório nas ondas, respectivamente. Figura 28 Saída do circuito para teste S 9 3. CONSIDERAÇÕES FINAIS O dispositivo sensor, dentro das varias hipótese de sensores aventados, foi escolhido o microfone de eletreto por sua disponibilidade, custo baixo e por ter fácil montagem, não requerendo interferir com o a- tual encanamento das torneiras do CEATEC para obter os resultados. Porém, como a captação do sinal é feita com ajuda do microfone de eletreto os resultados não são precisos, pois pode haver varias tensões para um único valor de volume de água, pois ele capta todo som que está próximo. Ou seja, para a sua instalação nas torneiras do CEATEC, ele deverá ser blindado por uma caixa acústica para que não passe o som externo, captando apenas o sinal da torneira. Nesse projeto, utilizamos as médias das tensões dos gráficos de cada medida, o que gerou uma dificuldade adicional pois foi verificado que a média de tensão tende a zero na medida obtida pelo microfone. A figura 29 apresenta uma amostra do sinal do microfone. Figura 30 Amostra de sinal normal Figura 31 Análise da envoltória da amostra de sinal normal AGRADECIMENTOS Agradeço ao Prof. Dr. Alexandre de Assis Mota pela competência como orientador e profissional, além dos amigos de grupo de pesquisa. Figura 29 Amostra de sinal do microfone
REFERÊNCIAS [1] ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (2004). NBR 5410: Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Rio de Janeiro. [2] Boylestad, R.L., Nashelsky, L. (2004). Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. Prentice Hall. São Paulo (SP). [3] Cavalin, G.; Cervelin, S. (2007). Instalações Elétricas Prediais. Editora Érica. São Paulo (SP). [4] Creder, H. (1995). Instalações Elétricas. LTC Livros Técnicos e Científicos Editora S.A.Edgar Blücher/FAPESP. Rio de Janeiro (RJ). [5] Malvino, A.P. (1986). Eletrônica. McGraw Hill. São Paulo (SP). [6] Mohsen, M., Akash, B. (2001). Some Prospects of Energy Savings in Buildings. Energy Conversion and Management, v.42, pp. 1307-1315. [7] PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica, Estimativa de Consumo [8] Mensal dos principais Eletrodomésticos (2002), capturado em 18/04/2002 em http://www.eletrobras.gov.br/procel/11.htm. [9] Reis, M.C. (2002). Eletrônica Básica. Letron. Caraguatatuba (SP). [10] Thomazini, D., Albuquerque, P. (2007). Sensores Industriais - Fundamentos e Aplicações. Editora Érica. São Paulo (SP).