Pluviômetro de Bóia Automático

Pluviômetro de Bóia Automático
Ana Paula Jorge Fraga
[email protected]
Artur da Silva Querino
[email protected]
Kathilça Lopes de Souza
[email protected]
Rayana Teixeira de Sá
[email protected]
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.
- 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 m2.
2.4 Pluviômetros
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.
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.
2.5 Pluviógrafos
3 Datalogger
Os pluviógrafos possuem uma
superfície receptora padrão de 200 cm2. 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);
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
componente
potenciômetro
é
um
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.
O Figura 3 demonstra a
linearidade deste aparato, sendo possível
identificar um pequeno desvio entre 6 e 8
mm de precipitação.
Tensão X Precipitação
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.
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
0
2
4
6
8
Chuva (mm)
FIGURA 3 – Tensão Elétrica em relação a
precipitação (chuva).
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:
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 1 – Relação entre milímetros e o valor
de tensão em milivolts.
TABELA 2 – Relação entre o valor de tensão em
milivolts e o multiplicador.
FIGURA 2 – Representação das conexões do
potenciômetro.
7 Resultados
Precipitação (mm)
2 mm
4 mm
6 mm
8 mm
Vs (mV)
106 mV
226 mV
343 mV
412 mV
Tensão (mV)
106 mV
226 mV
343 mV
412 mV
Multiplicador
0,01887
0,01770
0,01749
0,01941
10
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.