Pluviômetro de Bóia Automático Ana Paula Jorge Fraga anaa_fraga@hotmail.com Artur da Silva Querino arturquerino@gmail.com Kathilça Lopes de Souza kathii16@hotmail.com Rayana Teixeira de Sá rayana_ts@msn.com Alunos do curso técnico de Meteorologia do Instituto Federal de Santa Catarina Avenida Mauro Ramos, 950, Centro, Florianópolis/SC, CEP: 88020-300. Resumo: A proposta deste projeto foi desenvolver um equipamento para medição de precipitação, pluviômetro, de bóia automático com matérias de baixo custo e reaproveitando a parte externa do pluviógrafo de balança da estação convencional. Foi utilizada uma bóia de pesca e um potenciômetro linear e deslizante, como sensor do instrumento, para fazer as medições. Considerando os resultados, pôde-se observar uma não linearidade do instrumento, devido a limitações construtivas na parte mecânica do projeto, mas, de modo geral, o instrumento se mostrou viável para produção. Palavras-chave: Pluviômetro. Pluviômetro de bóia. Precipitação. Estação Automática. Abstract: The purpose of this project was to develop a device for measuring rainfall. The ombrometer of automatic buoy was made with materials of low cost, reused the outside of the precipitation of the conventional balance. We used a fishing float and a linear potentiometer and slide, as this last sensor to make measurements. Considering the results, one can observe a non-linearity of the instrument, due to limitations in the mechanical design of the project. Keywords: Rainfall. Rainfall to float. Precipitation. Automatic Station. 1 Introdução Este artigo tem como intuito descrever o processo de construção de um pluviômetro de bóia automático para que se possa ter a leitura da precipitação acumulada em um período de 24 horas. Este equipamento foi projetado com a intenção de ser construído com matérias acessíveis e de baixo custo, além de aproveitar recursos que estavam fora de uso, como um pluviógrafo, do qual se utilizou o receptor e a estrutura externa.
2 Precipitação 2.1 Conceito Precipitação é a água proveniente do vapor d água da atmosfera, que chega à superfície terrestre, sob a forma de: chuva, granizo, neve, orvalho, etc. Das formas citadas anteriormente, vale ressaltar que de acordo com as condições climáticas do Brasil, a precipitação é mais significativa em termos de volume líquido (chuva). 2.2 Formação das chuvas A umidade atmosférica é o elemento básico para a formação das precipitações. A formação da precipitação segue o seguinte processo: o ar úmido das camadas baixas da atmosfera é aquecido por condução, torna-se mais leve que o ar das vizinhanças e sofre uma ascensão adiabática. Essa ascensão do ar provoca um resfriamento que pode fazê-lo atingir o seu ponto de saturação. A partir desse nível, há condensação do vapor d água em forma de minúsculas gotas que são mantidas em suspensão, como nuvens ou nevoeiros. Essas gotas não possuem, ainda, massa suficiente para vencer a resistência do ar, sendo, portanto, mantidas em suspensão, até que, por um processo de crescimento, ela atinja tamanho suficiente para precipitar. 2.3 Medidas de precipitação Para obter medidas de precipitação devem-se seguir alguns parâmetros, conforme segue: a) quantifica-se a chuva pela altura de água caída e acumulada sobre uma superfície plana; b) a quantidade da chuva é avaliada por meio de aparelhos chamados pluviômetros e pluviógrafos; c) grandezas características das medidas pluviométricas: - altura pluviométrica: medidas realizadas nos pluviômetros e expressas em mm. Significado: lâmina d água que se formaria sobre o solo como resultado de uma certa chuva, caso não houvesse escoamento, infiltração ou evaporação da água precipitada. - duração: período de tempo contado desde o início até o fim da precipitação, expresso geralmente em horas ou minutos. 2.4 Pluviômetros - intensidade da precipitação: é a relação entre a altura pluviométrica e a duração da chuva expressa em mm/h ou mm/min. Uma chuva de 1 mm/ min. corresponde a uma vazão de 1 litro/min, afluindo a uma área de 1 m 2. O pluviômetro consiste em um cilindro receptor de água com medidas padronizadas, com um receptor adaptado ao topo de 400 cm². A base do receptor é formada por um funil com uma tela obturando sua abertura menor. No fim do período considerado, a água coletada no corpo do pluviômetro é despejada por uma torneira, para uma proveta graduada, na qual se faz leitura. Essa leitura representa, em mm, a chuva ocorrida nas últimas 24 horas.
Há também outro tipo de pluviômetro usado na estação automática: a) Pluviômetro de Báscula: Cada vez que enche de chuva um depósito, o mesmo se derrama e gera um pulso elétrico. A quantidade de chuva recolhida está compreendida entre 0,1 mm e 0,5 mm. 2.5 Pluviógrafos Os pluviógrafos possuem uma superfície receptora padrão de 200 cm 2. O modelo mais utilizado no Brasil é o de sifão, o qual é conectado ao recipiente que verte toda a água armazenada quando o volume retido equivale a 10 cm de chuva. Os registros dos pluviógrafos são indispensáveis para o estudo de chuvas de curta duração, que é necessário para os projetos de galerias pluviais. Existem vários tipos de pluviógrafos, porém somente três têm sido mais utilizados: a) pluviógrafo de caçambas basculantes (báscula): consiste em uma caçamba dividida em dois compartimentos, arranjados de tal maneira que, quando um deles se enche, a caçamba báscula, esvaziando-o e deixando outro em posição de enchimento. A caçamba é conectada eletricamente a um registrador, sendo que uma basculada equivale a 0,25 mm de chuva; b) pluviógrafo de peso (balança): Neste instrumento, o receptor repousa sobre uma escala de pesagem que aciona a pena e esta traça um gráfico de precipitação sob a forma de um diagrama (altura de precipitação acumulada x tempo); 3 Datalogger c) pluviógrafo de flutuador (bóia ou sifão): Este aparelho é muito semelhante ao pluviógrafo de peso. Nele a pena é acionada por uma bóia situada na superfície da água contida no receptor. O gráfico de precipitação é semelhante ao do pluviógrafo descrito anteriormente. O datalogger (gravador de dados) é um dispositivo eletrônico que registra os dados ao longo do tempo. São adaptados a ele sensores externos. Esses sensores são conectados em um processador digital (ou computador). Geralmente são pequenos, de bateria portátil, e equipado com um microprocessador, memória interna para armazenamento de dados. As programações são feitas por um computador e utiliza-se um software para ativar o datalogger, visualizar e analisar os dados coletados. Alguns dataloggers têm um teclado e uma pequena tela para visualização de dados no próprio equipamento. Mas também existem dataloggers não-programáveis. Um dos principais benefícios do uso dos dados é a capacidade de coletar automaticamente sobre uma base de 24 horas. Após a ativação, os dados são gravados. O datalogger mede, registra e informa tudo o que acontece em um determinado período pré-programado. Isso permite uma abordagem global, com imagem fiel das condições ambientais. Sendo monitorados, por exemplo, a temperatura, umidade relativa do ar entre outros. 4 Potenciômetro Um potenciômetro é um componente eletrônico que possui
resistência elétrica ajustável. Geralmente é um resistor de três terminais cuja conexão central é deslizante e manipulável, são todos os três terminais usados. Esse instrumento atua como um divisor de tensão. 5 Lei de Ohm A Primeira Lei de Ohm, assim designada em homenagem ao seu formulador Georg Simon Ohm, indica que a diferença de potencial (V) entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente elétrica (I) que o percorre:, sendo: a) V é a diferença de potencial elétrico (ou tensão, ou ddp) medida em Volts b) R é a resistência elétrica do circuito medida em Ohms c) I é a intensidade da corrente elétrica medida em Ampères 6 Descrição técnica Para desenvolver o pluviógrafo de balança foi utilizada primeiramente uma base de metal de um outro pluviógrafo de balança, onde foi feito um orifício com uma furadeira radial de bancada de um diâmetro do furo de 8,5 mm. Foi-se, então, determinando um triângulo imaginário no centro da base em cujas pontas foi feito um furo. Nessa base foram anexados três suportes de alumínio os quais sustentam uma segunda base de polietileno que também foi furada com a mesma espessura. Cortou-se um cano de PVC de 10 cm de largura e uma altura de 15 cm no qual foram colocadas duas tampas próprias para esses canos. Furou-se, então, o cano e a tampa juntos na extremidade inferior, em lugares opostos, para que no primeiro furo entrasse a precipitação e no furo do lado oposto saísse a mesma, sob um sistema de sifonagem feito de vidro. Em seguida furou-se a tampa superior na parte central. Cortou-se uma mangueira de chuveiro com 35 cm de comprimento e 1 cm de diâmetro, colocou-se essa mangueira em um dos furos feitos ligando ao sistema de coletagem de precipitação à carcaça de um pluviógrafo de balança. No outro orifício fez-se o procedimento anterior, mas com a finalidade de obter a saída da precipitação com um sistema de sifonagem. A vedação foi feita com silicone vedante. Colocou-se uma bóia de pesca rente ao cano receptor de precipitação e anexou-se no meio dela um cano de regulagem de temperatura de um chuveiro Thermo systen, com o auxílio de silicone para sua fixação. Fixou-se na tampa superior um retângulo de polietileno para prender o potenciômetro. O cano que está ligado à bóia encaixou-se ao furo central da outra tampa, assim pôde-se fechar o recipiente, e a este cano uniu-se o cursor do potenciômetro que está conectado a bóia com o auxílio de fita isolante, formando um conjunto de componentes sendo denominado o sensor do instrumento. Na figura 1 pode-se observar o aparato finalizado. FIGURA 1 Aparato pronto.
Tensão (mv) A figura 2 demonstra onde as conexões do potenciômetro são ligados no datalogger. De acordo com a lei de Ohm, a diferença de potencial entre dois pontos de um condutor é proporcional à corrente elétrica, ou seja Vs representa a tensão de saída. Sendo assim, a medida que essa tensão varia, o valor de precipitação é mudado. O Figura 3 demonstra a linearidade deste aparato, sendo possível identificar um pequeno desvio entre 6 e 8 mm de precipitação. Tensão X Precipitação 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0 2 4 6 8 10 Chuva (mm) FIGURA 3 Tensão Elétrica em relação a precipitação (chuva). FIGURA 2 Representação das conexões do potenciômetro. 7 Resultados Foram feitos diversos testes para que se obtivesse uma média dos resultados colhidos. Esses testes foram realizados mediante simulações de precipitação. Foi introduzida água no pluviógrafo paulatinamente de dois em dois milímetros, obtendo-se assim, para cada dois milímetros, um valor em milivolts. Os dados obtidos da leitura de tensão, pelo datalogger, foram correspondentes à Tabela 1: TABELA 1 Relação entre milímetros e o valor de tensão em milivolts. Precipitação (mm) Vs (mv) 2 mm 106 mv 4 mm 226 mv 6 mm 343 mv 8 mm 412 mv Pôde-se observar anteriormente na Figura 3, que o aparato não apresenta uma linearidade exata devido as limitações construtivas da parte mecânica do projeto. Uma dessas limitações foi na questão da captação da agua, que primeiramente submerge levemente a bóia, somente depois disso ela começa a emergir. Na Tabela 2 é demonstrado o valor do multiplicador, que transforma o valor lido em milivolts no valor desejado, neste caso em milímetros para cada tensão. Existem duas maneiras de obter-se o multiplicador geral, pode-se optar pelo valor de 8 mm, que corresponde a 412 mv ou fazendo a media de todos os multiplicadores. Neste caso optou-se pelo último valor por apresentar um resultado mais próximo da linearidade desejada. TABELA 2 Relação entre o valor de tensão em milivolts e o multiplicador. Tensão (mv) Multiplicador 106 mv 0,01887 226 mv 0,01770 343 mv 0,01749 412 mv 0,01941
Para obter-se o offset multiplica-se o valor em milivolts pelo multiplicador desejado. Neste caso multiplicou-se o valor sem precipitação pelo multiplicador escolhido. Devido à água que fica armazenada no recipiente após a sifonagem, o valor de 36mV é interpretado pelo datalogger sendo 0 mm. Em comparação com os pluviógrafos e pluviômetros existentes, o pluviômetro de bóia automático desenvolvido teve uma resposta positiva, porém devem ser considerado algumas margens de erro encontrado. Como todos os equipamentos possuem um desvio nos resultados, o pluviômetro de bóia automático pode ser equiparado com os outros. 8 Programa do Datalogger Foi desenvolvido um programa exclusivo do datalogger CR800, para o aparato. O programa mostra que o intervalo de execução será de cinco segundos. Existem algumas instruções importantes no programa. Uma instrução de condição que, quando o valor lido da precipitação for menor que o anterior, o mesmo será zerado. Isto é feito para que se possa saber qual é o volume acumulado em milimitros de precipitação durante 24 horas. Caso não sifone em um período de 24 horas, o total dos valores lidos é considerado a precipitação total do dia. Em seguida uma parte do programa para o datalogger: 'Main Program BeginProg Scan (5,Sec,0,0) VoltSe (lido,1,mv5000,1,1,0,_60hz,0.01837,- 0.66132) If lido < anterior -0.5 Then lido = 0 resto = 0 soma = soma + anterior EndIf anterior = lido precipitacao = lido + soma - resto If IfTime (0,24,Hr) Then resto = lido soma = 0 EndIf 9 Conclusão O objetivo foi desenvolver um aparato de medição de chuva. É aconselhável que seja revisado o projeto com mais acurácia, melhorando o sistema se sifonagem ou até mesmo substituindo a bóia que foi utilizada. Com essas substituições pode-se obter um melhor resultado em relação à linearidade, que como já mencionado houve algumas limitações envolvendo a parte mecânica do aparato. 10 Referências Campbell Scientific. Disponível em: <http://www.campbellsci.com.br/_conteu do/pro.php?var=1 1 0 0>. Acesso em 14/05/09. CANDIDO, Sérgio; FUENTES, Márcia. Estação meteorológica automática. Florianópolis. Apostila Curso técnico de Meteorologia, Instituto Federal de Educação, Ciência e tecnologia de Santa Catarina.
SAMPAIO, Jose Luiz; CALÇADA, Caio Sergio. Física volume único. São Paulo, Saraiva, 2005. UNIVERSIDADE Federal da Bahia. Hidrologia. Salvador, 2005. Apostila do Grupo de Recursos Hídricos do Departamento de Hidráulica e Saneamento. Capítulo 3, p. 18-26.