Apostila MODULO AVANÇADO

Curso de Medidores de Vazão
Acústica Doppler
M ó d u l o Av a n ç a d o
Autor: Eng° Paulo Everardo Gamaro
II Curso Avançado de Medidores
de Vazão Acústica Doppler
11 a 15 de julho de 2011
Foz do Iguaçu - PR
Realização:
Agência Nacional de Águas
Apoio:
ITAIPU Binacional
Parque Tecnológico Itaipu
Coordenação Geral:
Antônio Otélo Cardoso – ITAIPU BINACIONAL
Rodrigo Flecha Ferreira Alves – SAG / ANA
Valdemar Santos Guimarães – SAR / ANA
Coordenação Técnica:
Paulo Everardo Muniz Gamaro – Itaipu Binacional
Mauro Sílvio Rodrigues
Matheus Marinho de Faria – SAG / ANA
Corpo Docente:
Paulo Everardo Muniz Gamaro – Itaipu Binacional
Instrutores :
Karine Azeredo Lima – Itaipu Binacional
Luiz Henrique Maldonado – Itaipu Binacional
Sérgio Túlio – Itaipu Binacional
Edição do material técnico:
Paulo Everardo Muniz Gamaro – Itaipu Binacional
Equipe de apoio logístico:
Francisco A. Martins
Isaias J. dos Santos
Mário Luiz Dotto
Pedro Paulo da Silva
APRESENTAÇÃO DO AUTOR
Esta apostila é uma compilação de notas de campo, diversos estudos,
análises e trocas de informações informais entre operadores e estudiosos, e provem
destas minhas experiências de pelo menos uma década, na maioria de campo, tudo
que foi aqui escrito.
Pois foi assim que começamos, aqui no Brasil e fora também, pois são estas
trocas possibilitaram o conhecimento que temos hoje, e mais, é se organizando para
que estas trocas aumentem que expandiremos nossos horizontes em medições
acústicas.
Espera-se que com o conhecimento dos erros já cometidos, possamos evitar
repeti-los, ou que outros o repitam.
“Para se preservar é preciso conhecer, para conhecer é preciso saber quanto
temos para saber quanto temos é preciso MEDIR”.
A busca pelo dado básico em nosso país nos dias de hoje é quase que um
ato de heroísmo, poucas empresas estão realmente empenhadas nisso, e pouco
valor se da a esta ferramenta imprescindível a todo o resto da hidrologia, menos
valor ainda àqueles que labutam de sol a chuva, buscando manter estes dados com
a qualidade mínima necessária. Não fosse a obstinada busca da qualidade deste
serviço, os dados básicos deste país estariam em estado mais lastimável do que se
encontram.
Quero aqui expressar meus sentimentos mais profundos àqueles que fazem
desta busca quase que um sacerdócio, muitas vezes dependendo apenas do
esforço próprio e a noção de dever.
PAULO EVERARDO MUNIZ GAMARO
Engenheiro da Divisão de Estudos Hidrológicos e Energéticos da Itaipu Binacional
PREFACIO
Devido ao imenso campo que é a área de medições com equipamentos
acústicos Doppler, achamos por bem dividir em módulos os cursos para uma melhor
compreensão, e também para que o nível de conhecimento necessário para certas
tarefas e ou projetos seja equilibrado, evitando com isto encher os técnicos de
campo com partes teóricas que não irá ajudá-los em suas tarefas, por outro lado
insistimos que cada equipe tenha pelo menos um individuo que esteja treinado e
acompanhando o desenvolvimento da tecnologia, bem como saiba como funciona e
suas teorias desde conhecimentos de estatística aqui aplicada, até pequenas
noções da acústica e acústica aplicada aos aparelhos.
Isto que a principio parece ser um exagero, com a solução de muitos
problemas no campo utilizando este conhecimento se verificará que esta bem
dimensionada.
SUMÁRIO
SUMÁRIO ....................................................................................................................... 6
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................... 8
ÍNDICE DE TABELAS .................................................................................................... 9
1.
INTRODUÇÃO...................................................................................................... 10
1.1
2.
3.
A IMPORTÂNCIA DO SINAL E DE SEU PROCESSAMENTO .......................................... 10
MEDIÇÕES NÃO TRIVIAIS.................................................................................. 11
2.1
MEDIÇÕES COM DGPS ...................................................................................... 11
2.2
TIPOS DE GPS E DGPS .................................................................................... 11
2.2.1
GPS sem correção................................................................................... 11
2.2.2
Wide Area Argumentation System WAAS ............................................... 12
2.2.3
Coast Guard (Marinha BR) ...................................................................... 12
2.2.4
Real Time Kinematic RTK........................................................................ 12
2.2.5
Doppler Velocity....................................................................................... 12
2.3
INCERTEZAS ...................................................................................................... 12
2.4
NÍVEIS DE PRECISÃO HORIZONTAL ...................................................................... 14
2.5
ERROS CORRIGÍVEIS ......................................................................................... 14
2.6
CUIDADOS ANTES DA MEDIÇÃO............................................................................ 15
2.7
ERROS DE ORIENTAÇÃO ..................................................................................... 16
2.8
DISCREPÂNCIAS EXPERIMENTADAS EM MEDIÇÕES COM DGPS .............................. 21
MEDIÇÕES EM SEÇÃO COM FUNDO MÓVEL .................................................. 23
3.1
INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 23
3.2
TESTE DO FUNDO MÓVEL ................................................................................... 23
3.3
MÉTODO DA SUB-SEÇÃO MÉDIA ......................................................................... 25
3.4
MÉTODO DAS SUB-SEÇÕES ................................................................................ 26
3.5
MÉTODO DE SEÇÃO POR SEÇÃO ......................................................................... 27
3.6
UTILIZAÇÃO DO ECOBATÍMETRO ACOPLADO ......................................................... 27
3.7
MÉTODO DO AZIMUTH ........................................................................................ 28
3.8
MÉTODO DO LOOP ............................................................................................. 29
4.
UTILIZAÇÃO DE MEDIDORES ACÚSTICOS DOPPLER EM MEDIÇÕES DE
SEDIMENTOS............................................................................................................... 31
4.1
INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 31
4.2
COMO O ADCP “VÊ” SEDIMENTO ........................................................................ 31
4.3
PERDAS DE TRANSMISSÃO ................................................................................. 32
4.4
RUÍDOS ............................................................................................................ 33
4.5
TIPOS DE RUÍDOS .............................................................................................. 33
4.6
LIMITAÇÕES DO INSTRUMENTO ............................................................................ 34
4.7
FATORES AFETANDO A PRECISÃO ....................................................................... 34
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Tipos de correção de sinal. .....................................................................11
Figura 2.2: Vetores de orientação instrumental.........................................................13
Figura 2.3: Ativação dos botões GPS no Software WinRiver. ...................................16
Figura 2.4: Ativação dos botões GPS no Software RiverSurveyor............................16
Figura 2.5: Erro causado devido à bússola estar mal calibrada. ...............................17
Figura 2.6: Calibração da bússola usando DGPS. ....................................................18
Figura 2.7: Inserção dos valores de correção da orientação magnética no WinRiver.
............................................................................................................................18
Figura 2.8: Travessia – velocidade x tempo tendo como referencia o DGPS. ..........19
Figura 2.9: Travessia – velocidade x tempo tendo como referencia o Bottom
Tracking...............................................................................................................19
Figura 2.10: Medição tendo como referencia o Bottom Tracking. .............................20
Figura 2.11: Medição tendo como referencia o DGPS. .............................................20
Figura 2.12: Seção com fundo móvel........................................................................21
Figura 2.13: Velocidades do Barco com DGPS.........................................................22
Figura 2.14: Velocidades do Barco com BT. .............................................................22
Figura 3.1: Comparação das velocidades no teste de fundo móvel. .........................24
Figura 3.2: Erros de magnitude próximos à margem rasa. .......................................28
Figura 3.3 – Método Azimuth. ...................................................................................29
Figura 3.4: Método Loop: a) seção sem fundo móvel e b) seção com fundo móvel..29
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 2.1: Referência DGPS. ..................................................................................21
Tabela 2.2: Referência Bottom Tracking. ..................................................................21
Tabela 2.3: Dados DGPS GGA. ................................................................................22
Tabela 3.1: Exemplo de testes realizados com fundo móvel. ...................................26
Tabela 3.2: Comparativo Medição com Ecobatímetro x Medição com BTrack em
seções sem fundo móvel.....................................................................................28
1. INTRODUÇÃO
Som sob a água, um ramo especializado da ciência e tecnologia, tem sido
estudado e utilizado desde a Primeira Guerra Mundial, mas teve um grande
desenvolvimento durante a Segunda Guerra Mundial. Os sonares então
desenvolvidos possibilitaram a América vencer a batalha contra os submarinos
alemães conhecidos como U boats.
No entanto uma das primeiras referencias ao fato de existir som sob a água
se encontrou em anotações do grande gênio arquiteto e engenheiro Leonardo Da
Vinci em 1490. Ele escreveu “... se você faz sua embarcação parar, coloca um tubo
com a uma extremidade na água, e a outra extremidade em seu ouvido, você ouvirá
navios a grande distancia de você”.
1.1 A importância do sinal e de seu processamento
Todo segredo da boa medição inicia no processamento do sinal, o
conhecimento de suas limitações e a busca de realizar medições sem exceder estes
limites constitui o esforço de todo operador dos equipamentos Doppler.
2. MEDIÇÕES NÃO TRIVIAIS
2.1 Medições com DGPS
Como a função Bottom Tracking fornece velocidade da embarcação,
profundidade, e direção da embarcação, não há vantagem em se utilizar um DGPS
acoplado ao ADCP/ADP, a menos das seguintes situações:
•
Fundo Móvel;
•
Locais com forte interferência magnética;
•
Locais cujo alcance do Bottom Tracking é excedido;
•
Posicionamento
Absoluto
(georeferenciamento).
da
embarcação
é
importante
Devemos ter em conta aqui que a utilização do Bottom Tracking é quase
sempre melhor que a utilização de um DGPS.
A precisão, ou erro de uma medição com GPS começa na escolha do GPS, e
se utilizado, a correção do sinal.
Figura 0.1: Tipos de correção de sinal.
Fonte: Rainville, 2007.
2.2 Tipos de GPS e DGPS
2.2.1 GPS sem correção
Depende da geometria da constelação e disponibilidade na hora da medição.
A falta de correção pode ocasionar medições com picos de velocidade e vazões com
erros grandes.
A utilização de GPS tem sua precisão tão baixa que necessitaria tirar a média
de aproximadamente 2,5 horas para atingir uma precisão de 1 cm/s, e por isso não
vou considerar esta uma opção.
2.2.2 Wide Area Argumentation System WAAS
O sistema é direcionado para necessidades da aviação, e se baseia em
satélites baixos no horizonte, confiabilidade no solo é baixa especialmente em
regiões montanhosas e vales.
2.2.3 Coast Guard (Marinha BR)
Sistema disponível apenas na costa brasileira
2.2.4 Real Time Kinematic RTK
Necessitam dois receivers para produzir a correção, um na margem e outro
na embarcação, capaz de até corrigir erros gerados pelas margens e pontes. Parece
ser o sistema que melhor se adapta as condições de medição com ADCPs.
2.2.5 Doppler Velocity
Alguns sinais provem para alguns aparelhos receptores entre as linhas
$GPVTG, esta velocidade é calculada acessando o efeito Doppler nas fases da
freqüência de transmissão. O método exige pelo menos 4 satélites, devido ao tempo
curto das amostras este método sofre pouco impacto dos problemas que aos outros
métodos diminuem a precisão, e não tem diferença se possuem correção ou não.
2.3 Incertezas
O DGPS, ou Differential GPS, mesmo os mais avançados, determinam a
posição do barco com uma incerteza ( σv) que introduz um erro (σR) no cálculo da
velocidade.
σv = 2
σR
∆t
(01)
Onde,
∆t = tempo de amostragem de um ponto
Incertezas de ± 2m com um tempo de amostragem de 60 s causam uma
incerteza na velocidade do barco de aproximadamente ± 4,7 cm/s que acaba
limitando a precisão nas medidas de velocidade. Se buscarmos uma precisão maior,
por exemplo 1 cm/s o intervalo de amostragem tem que ser maior, isto para cada
ponto, logo a resolução temporal dos perfis fica prejudicada (menos verticais).
Precisão de centímetros pode ser alcançada com o DGPS desde que
trabalhem próximo da estação transmissora do sinal de correção (~ 100 Km), aqui
no Brasil não temos quase estações deste tipo.
Hoje temos disponível os sistemas RTK é o sistema de maior precisão, no
entanto seu preço quase que o inviabiliza, nos Estados Unidos é o sistema que mais
tem se buscado utilizar.
A utilização do DGPS para cálculo do vetor velocidade do barco, requer uma
série de cuidados, pois erros nos vetores velocidade do barco irão ocasionar erros
no valor da vazão medida.
Em uma medição com o ADCP, como visto anteriormente, a velocidade da
água é o resultado da diferença vetorial entre a velocidade relativa e a velocidade da
embarcação normalmente a última medida com o Bottom Tracking, que é a
utilização do efeito Doppler no fundo para medir a velocidade do barco. Porém em
casos de fundo móvel ou outra das necessidades descritas1, a velocidade da
embarcação é medida através do GPS, ou seja triangulação via satélite.
É aqui que os erros podem ser inseridos uma vez que a velocidade da água é
medida em relação ao norte magnético, pois é utilizada a bússola do ADCP, e a
velocidade da embarcação é em relação ao norte verdadeiro utilizado pelos
satélites.
Como os dois têm uma diferença entre si, esta diferença ficará sendo o erro
na velocidade da água, logo na vazão.
Figura 0.2: Vetores de orientação instrumental.
Fonte: Muller, 2002.
1
Fato que desestimulo por trazer para medição mais fatores de erro
Como exemplo de erro: Um desalinhamento de 50 (cinco graus) entre o
DGPS (norte verdadeiro) e a bússola do ADCP (norte magnético) resulta em 8% de
erro na velocidade da água.
Vamos ver que uma série de erros potenciais passa a existir quando da
utilização de DGPS.
A precisão da posição absoluta de um ponto é função da faixa de precisão da
medição, da geometria dos satélites, e do número de satélites usado na solução
(Muller -2004).
O conhecimento de certos parâmetros se faz necessário para uma avaliação
da medição que estamos realizando.
•
HDOP - Horizontal Dilution of Precision: É uma medida de possível
erro devido à geometria dos satélites (horizontal ou Latitude e
Longitude) valor recomendado menor que 1.
•
PDOP – Position Dilution of Precision: É uma medida de possível
erro devido à geometria dos satélites que inclui horizontal e vertical
(altitude), valor recomendado menor que 4.
2.4 Níveis de Precisão Horizontal
•
GPS com SA ligado: 50 a 100 m 95% do tempo
•
GPS com SA desligado: 12 a 15 m 95% do tempo
•
DGPS codificado com fases: 0,5 a 3 m 95% do tempo
•
RTK DGPS carrier phased: 1 a 5 cm 95% do tempo
•
Carrier phased DGPS em modo estático: sub cm
2.5 Erros Corrigíveis
•
AS (Selective Availability): fonte de erro introduzida pelos militares dos
EUA;
•
Erros da Troposfera - um metro do solo até aproximadamente 13 km
de altura: Mudanças climáticas, umidade, temperatura e pressão,
normalmente satélites mais baixos no horizonte são mais sujeitos que
os satélites sobre o alvo. Normalmente modelados no software do
fabricante;
•
Erros da Ionosfera – camada da atmosfera entre 50 e 500 km:
Manchas solares e outros fenômenos eletromagnéticos. Os erros não
são previsíveis, mas podem ser estimados, nem todo o erro pode ser
removido (erros no relógio) (Muller -2006).
2.6 Cuidados antes da medição
O primeiro cuidado é a realização da calibração da bússola no local a ser
realizada a medição (Maximo 30 km de distância).
Uma vez com o GPS acoplado, deve ser utilizado o método 3 descrito no
WinRiver Users Guide, isto porque este método permite sua realização em seções
com fundo móvel, normalmente o local que se usa DGPS2.
A lente 3 deve ser usada para frente evitando com isso outra fonte de erro
que seria medir com exatidão o ângulo da lente 3 com a frente do barco.
Uma vez concluída a calibração, deve ser feita à inserção da declinação
magnética. Como aqui a precisão afeta a vazão, é recomendado que se calcule a
mesma no local seguindo as instruções do Item 7.4.1 do mesmo manual.
Como exemplo de um erro toma-se um barco se movendo a 5 nós e com um
erro de 2º ocasiona um erro de velocidade de 8 cm/s
Para os equipamentos da Sontek a calibração a ser realizada deve ser feita
no seu software River Surveyor -> User Set up -> calibrate compass e seguir
instruções, ao final da calibração o programa da à nota e grava a calibração em
arquivo.
Para medir com o DGPS em equipamento da RDI, fazer a conexão do DGPS
na saída serial do notebook (que deve possuir duas, uma para DGPS e a outra para
o próprio ADCP), entrar no WinRiver e settings -> reference marcar GPS (GGA [mais
usada] ou VTG), abrir View ->Tabular Views-> GPS Tabular para acompanhar o
desempenho.
Similar aos equipamentos da RDI, os da Sontek fazem a mesma conexão no
notebook. Os botões de GPS para leitura de fundo e cálculo da velocidade da água
devem ser clicados. Abaixo, dados da Estação de Trabalho para medir com DGPS –
rio Monday Posto Silva (02/12/2004).
2 Este método só é possível em equipamentos WH Rio Grande cujos firmware foram modificados
para tal, Monitors e BroadBand (Laranjas) não tem essa capacidade.
Figura 0.3: Ativação dos botões GPS no Software WinRiver.
Figura 0.4: Ativação dos botões GPS no Software RiverSurveyor.
2.7 Erros de orientação
Conforme já descrito, erros por inserir declinação imprecisa ou da bússola mal
calibrada são corriqueiros. A seguir estaremos mostrando um exemplo destes erros.
A estação de Iate Cataratas esta sobre o rio Paraná a jusante da usina de
Itaipu, um dos locais de maior profundidade deste rio e que é encaixado e de
grandes velocidades.
A Figura 0.5 mostra a calibração da bússola tendo um DGPS acoplado com o
barco, mas usando o Bottom Tracking como referência (ADCP tem como referência
o fundo).
Podemos observar que há erros de velocidade da água no trajeto devido às
velocidades altas e turbilhonamento. Isto não interfere na calibração da bússola.
Está presente também a tabela do GPS do WinRiver© e do deslocamento com GPS
e BottomTracking.
Cabe ressaltar que a Figura 0.5 abaixo nos mostra um circulo feito com o
barco para a calibração da bússola usando o bottom tracking como referência de
fundo.
Figura 0.5: Erro causado devido à bússola estar mal calibrada.
A Figura 0.6 apresenta a mesma calibração apenas trocando o bottom
tracking pelo DGPS como referência. Comparando os dois percebemos que:
As velocidades estão diferentes, pelas cores e o gráfico velocidade barco e
velocidade da água.
Passam a ter picos (7) de velocidade tanto na água quanto no barco; atente
que estão no mesmo instante, isto devido ao número em que os satélites utilizados
no cálculo não foram os mesmos (satélites changes).
E por fim que o traçado do barco com o bottom tracking e com DGPS são
diferentes.
Figura 0.6: Calibração da bússola usando DGPS.
Conclusão: Como a bússola não estava calibrada nem havia sido inserida a
declinação magnética ainda, essas diferenças de velocidades e de traçado do barco
estão explicadas e mostram a importância deste procedimento.
Já os picos devido a mudanças de satélites não há como fugir. Poderá haver
erros em verticais cada vez que os satélites trocarem. Atentar que os valores do
HDOP e PDOP (HDOP + Altitude) estão dentro dos parâmetros de validade.
Após a calibração da bússola e o cálculo da declinação magnética inseridos
corretamente.
Figura 0.7: Inserção dos valores de correção da orientação magnética no WinRiver.
Para análise do uso do DGPS da Racal foram realizadas 4 travessias na
estação de Iate clube no rio Paraná descritas a seguir.
Figura 0.8: Travessia – velocidade x tempo tendo como referencia o DGPS.
Figura 0.9: Travessia – velocidade x tempo tendo como referencia o Bottom
Tracking.
Após a calibração da bússola e inserção da declinação magnética, é possível
ver que as velocidades são “quase” idêntica isto por que:
•
Não houve troca de satélites;
•
Os valores de ∆HDOP < 1;
•
PDOP < 4;
•
Aumentou o número de satélites (8).
No entanto vemos que ainda há uma defasagem entre os traçados do barco,
muito provavelmente por a estação que transmite a correção do erro do GPS estar
localizada a mais de 300 km, veremos ainda que isto esteja influenciando
diretamente na vazão.
Como estamos em uma seção em que não há fundo móvel, podemos notar
na
Tabela 0.1 que as vazões de travessias que partem da mesma margem são
coerentes entre si, mas discrepantes das que partem da margem oposta, e se
comparadas com a mesma medição usando o fundo como referências verão que
estas últimas são quase uniformes, e a média final que constitui uma medição há
diferença de aproximadamente 6%. (Figura 0.10)
Figura 0.10: Medição tendo como referencia o Bottom Tracking.
Figura 0.11: Medição tendo como referencia o DGPS.
Tabela 0.1: Referência DGPS.
Tabela 0.2: Referência Bottom Tracking.
Para um local em que não se necessita utilizar o DGPS para o
processamento da medição, estamos inserindo um erro sem necessidade na vazão
final, mas em locais com fundo móvel este erro seria aceitável em face de correção
que o DGPS estaria fazendo ao longo de toda a travessia.
Esta apostila não tem como fim substituir a experiência no campo onde cada
um poderá com certeza verificar outros erros e aumentar sua capacidade de
reconhecê-los.
Existem relatórios de uma bateria de testes com vários tipos de GPS e suas
comparações com bottom tracking feito pela USGS, bem como alguns trabalhos
comparativos, verificar nas referencias, aconselho a sua leitura e analise.
2.8 Discrepâncias experimentadas em medições com DGPS
Figura 0.12: Seção com fundo móvel.
Figura 0.13: Velocidades do Barco com DGPS.
Figura 0.14: Velocidades do Barco com BT.
Tabela 0.3: Dados DGPS GGA.
Vazões
Ref. VTG
Ref GGA
Ref B.Tracking
83,41
93.28
86.58
3. MEDIÇÕES EM SEÇÃO COM FUNDO MÓVEL
3.1 Introdução
Um dos erros mais comuns em nosso território nas medições Doppler é o que
ocorre quando se realiza medições em locais com fundo móvel sem se dar conta
disso, e tomamos o valor medido como o verdadeiro, isto ocasiona uma medição
sempre a menor, que se utilizada repetidamente fornecerá uma Curva-chave
subdimensionada. A isto se deve devido a grande maioria de nossas equipes de
campo não realizarem o teste para verificação de fundo móvel.
Este tipo de erro ocorre quando os sedimentos carreados junto ao fundo são
lidos pelo equipamento como se fosse o leito (GAMARO, 2003), introduzindo assim
um erro na velocidade do barco que é calculada com esta leitura, como a velocidade
medida pelo ADCP é uma velocidade relativa, ou seja, velocidades da água mais do
barco, para se conhecer a velocidade da água é preciso extrair a velocidade do
barco, que neste caso estará maior que o real, ocasionando uma velocidade da
água a menor, logo o mesmo acontecendo à vazão.
Este fenômeno não foi muito levado em conta até meados de 2002 quando se
passou a incluir nos procedimentos de uma medição Doppler o teste do fundo móvel,
com isto se descobriu que havia mais seções com este problema que supúnhamos,
e havia locais com um já longo histórico de medições e até curvas chave com este
erro inserido.
Foi desenvolvido um método para correção parcial destas medições
(GAMARO, 2003), e vários métodos propostos para realizar a medição se
descobrimos ter fundo móvel ao realizarmos o teste, este capitulo ira falar sobre
estes métodos e suas vantagens e desvantagens.
3.2 Teste do Fundo Móvel
Para se verificar se há fundo móvel em uma seção é necessário que se
mantenha o barco parado3 por um período maior que 5 minutos medindo-se a
velocidade.
Após este período que quanto maior melhor a detecção, comparar o DMG
(Distance Made Good) com o Lenght, se forem muito diferentes é sinal de que pode
haver fundo móvel, para sabermos se este valor é considerável temos que calcular a
velocidade do fundo móvel e compara-la com a velocidade média da seção durante
o teste.
Exemplo: Rio Iguatemi 2005 com um ADCP 600 kHz e um ADP 1500 kHz
3
Ancorado, no motor com ponto de referencia, no cabo etc.
V fm =
DMG 52,92
=
= 0,1441
Time 367,30
67,63
= 0,1879
360
A primeira observação é que as velocidades são percebidas diferentemente
pelas diferentes freqüências. Freqüências maiores percebem maiores velocidades
do fundo.
A segunda observação é de que não temos a menor idéia do peso destas
velocidades para a medição.
a)
b)
Figura 0.15: Comparação das velocidades no teste de fundo móvel.
Para avaliar esta velocidade do fundo é preciso estabelecer a razão da
velocidade do fundo móvel pela velocidade média da água durante o teste
(Percentual de Relevância), se for maior que 1 % (Rainville 2002 )deve ser feita uma
correção na medição ou utilizar algum método para evitar o erro (Gamaro, 2005).
V fm
Vm
=
0,1441
= 0,125
1,151
ou 12,5 %
0,1879
= 0,3239
0,58
ou 19,4 %
Uma vez verificada que o Fundo móvel é hora então de definir como medir,
entre os métodos abaixo:
•
DGPS acoplado
•
Método da Sub-seção
•
Seção por Seção
•
Ecobatimetro Acoplado
•
Método do Azimute
•
Método do Loop
A utilização do DGPS já foi discutida no capítulo anterior.
3.3 Método da Sub-Seção Média
Neste método é feita uma correção da vazão através do calculo da vazão
perdida calculada com a velocidade do fundo móvel.
É um método que apenas atenua o erro inserido pelo fundo móvel, e é usado
em locais com dificuldade para utilizar outros métodos, quer pela dificuldade da
seção, quer pelo tempo despendido nos outros métodos.
Consiste em se calcular a velocidade do “fundo” usando os dados do teste de
fundo móvel, que teoricamente deve ser feito antes de iniciar a medição, logo ganha
tempo. Parte do pressuposto que o teste deve ser realizado buscando-se o local de
maior velocidade da água, ou local potencialmente propicio para maior velocidade
do fundo.
Tomemos o exemplo acima (ADCP 600 kHz):
Vfm=0,1441
A fórmula para correção é a seguinte:
[
Qcorrigida = Qmedida (Vmedia + V fm )/ Vmedia
]
(02)
Vmédia= Q/A 188,77/ 196,64 = 0,960 m/s
Q = vazão tirada da medição de vazão:
A = Área da medição de vazão
Qcorrigida=188,77 ((0,96 + 0,14)/0,96) = 217,10 m3/s
Este método tem muitas assunções que o levam a uma incerteza de precisão,
mas reduz o erro e em certos locais e devido ao tempo é o mais pratico e rápido.
As incertezas provem de:
•
Um único local para medir a velocidade de fundo, e nem sempre o local
de maior velocidade é o de maior arrastro de fundo, ou representa a
distribuição do fundo móvel ao longo da seção.
•
O balançar do barco pode afetar a medida da velocidade de fundo.
3.4 Método das Sub-Seções
Este método é uma tentativa de melhorar a qualidade do método anterior.
Nele são feitos mais testes de fundo móvel, de preferência espaçados regularmente.
Este método também é usado para seções conhecidas onde se queira medir em
locais de melhor qualidade dos dados de fundo. Calculam-se as velocidades de
fundo em cada um dos testes e utiliza-se a media destas velocidades para calcular a
vazão perdida.
Exemplo: rio Solimões em Manacapuru, ADCP WH Monitor 300 kHz.
Seção rochosa na margem esquerda e arenosa na margem direita. Foram
realizados 20 testes de fundo móvel em uma seção de 3080 m de largura. Destes
testes calculamos as velocidades do fundo das quais tiraremos a média que
multiplicada pela área teremos a vazão de correção que deve ser acrescentada a
vazão medida.
Qmedido = 100.334 m3/s com ADCP.
Tabela 0.4: Exemplo de testes realizados com fundo móvel.
Teste
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Media
Vfm
0,005
0,006
0,020
0,012
0,023
0,018
0,017
0,010
0,035
0,030
0,012
0,1
0,036
0,044
0,047
0,059
0,007
0,016
0,009
0,006
0,026
Percentual de Relevância
1,25
0,92
2,34
1,27
2,09
1,66
1,78
0,91
3,62
2,66
0,98
9,73
4,39
5,12
6,29
8,49
0,94
2,23
1,33
1,31
Verificamos que conforme o teste é realizado mais próximo da margem direita
maior é o coeficiente de relevância, e que apenas em 4 testes não houve relevância.
Logo deve ser feita a correção.
Qcorrigida = Qmedida + V fm * A
Qcorrigida = 100 334 + (0,026 x 82 628) = 102 482 m3/s
A vazão esperada seria próxima de 104200 m3/s, valor encontrado na
medição com molinete de barco não ancorado, apesar desta não ser padrão para
conferir uma medição com Doppler, isto nos mostra que o método busca diminuir o
erro ocasionado pelo fundo móvel e não corrigi-lo. Podemos contar ainda como
desvantagem que:
•
Demanda tempo
•
Não há como corrigir o balanço do barco no teste.
•
Seção transversal deve ser perpendicular a corrente
3.5 Método de Seção por Seção
Constitui em realizar uma medição de vazão como se fora uma medição
convencional, porem utilizando o ADCP/ADP para fazer a leitura de velocidades de
cada vertical (Utilizar a referencia como “none”), as distancias entre as verticais é
medida no momento da tomada de velocidades, normalmente a cabo, e a
profundidade utilizada é a media entre o começo e o fim do tempo em cada vertical.
(JOHNSON, 2004).
Utilizando o exemplo acima (Manacapuru -2005), o valor total medido pelo
método foi de 104.640 m3/s mais uma vez comparando com a vazão do molinete
encontramos apenas uma diferença de 440 m3/s, ou seja, menos de 1%.
Uma variação deste método para melhor. No passado o calculo era feito em
uma planilha eletrônica tipo Excell, mas hoje as empresas disponibilizam para
compra softwares que realizam o cálculo. A empresa Sontek o software Stationary, a
TRDI o Section by section, e a Nortek já é esta a forma de fazer a medição4.
3.6 Utilização do Ecobatímetro acoplado
Neste caso as profundidades são tiradas do Ecobatímetro, e desta leitura ira
sair à velocidade do barco a ser deduzida da velocidade relativa.
4
Ver no capitulo de softwares
A tabela 3 mostra as pequenas diferenças de vazão por travessia e a
diferença da média que é a medição propriamente dita.
Há grandes erros de magnitude próximos a margens muito rasas no caso
estudado, pois a freqüência do Eco estava preparada para 30 metros, e mesmo
sendo um eco que muda a freqüência em locais rasos sua rapidez em fazê-lo não foi
suficiente para evitar algumas leituras erradas (Figura 0.16).
Figura 0.16: Erros de magnitude próximos à margem rasa.
Tabela 0.5: Comparativo Medição com Ecobatímetro x Medição com BTrack em
seções sem fundo móvel.
Travessias
Vazão c/ Eco
Vazão
c/Btrack
Diferenç
a
Percentual
1
12772,5
13006,39
233,889
1,80
2
12553,64
12761,66
208,024
1,63
3
12406,88
12665,06
258,175
2,04
4
12604,2
12825,39
221,191
1,72
Media
12584,31
12814,62
230,319
1,80
Desvio padrão
150,811
143,834
-6,977
Coeficiente
Variação
0,01
0,01
Conclusão: Método eficiente para locais de fundo móvel, tem como negativo a
utilização de outro equipamento e outro operador na equipe, que implica em maior
custo operativo e a compra de um Ecobatímetro. Espere problemas em locais com
variações grandes de profundidade, bem como seções muito profundas.
3.7 Método do Azimuth
O método consiste em estabelecer locais para inicio e fim da travessia, medir
o azimute desta direção, após calibrar a bússola realizar medição normal, Ver o
ângulo da travessia e corrigir conforme as fórmulas descritas na Figura 0.17 abaixo.
Figura 0.17 – Método Azimuth.
3.8 Método do Loop
Este método consiste em realizar uma travessia medindo com o equipamento
Doppler e descrever um oito, tendo o cuidado de chegar ao mesmo ponto de saída a
menos de 50 cm (p ex.uma bóia ).
Toma-se o DMG que é a distancia aparente entre o inicio e o fim do loop e
dividi-se pelo tempo total do loop para obter a velocidade do fundo móvel. (Eq. 03)
A seguir realiza-se uma medição com o ADCP/ADP que é a medição com o
ruído do fundo móvel e se corrige somando a ela a vazão não computada do fundo
móvel que é tirada da Eq. 04.
DMG
a)
b)
Figura 0.18: Método Loop: a) seção sem fundo móvel e b) seção com fundo móvel.
A velocidade do fundo móvel é a distancia entre o ponto inicial e o
apresentado (DMG) dividido pelo tempo total do loop.
Para corrigir a vazão, toma-se a vazão medida com o fundo móvel de uma
medição de quatro travessias, acrescenta-se o produto da velocidade do fundo
móvel calculada com o loop pela Área retirada da medição.
Vfm = D / T
(03)
Qcorrigida = Qmedida + Vfm * A
(04)
Onde:
Vfm = Velocidade do fundo móvel
D = distancia aparente entre o fim do loop e a bóia (DMG)
T = tempo total do loop
Qcorrigida = Vazão corrigida
Qmedida = Vazão medida
A = área retirada das medições (Área perpendicular ao fluxo)
Pontos de Alta Relevância no método:
•
Imprescindível calibrar a bússola antes de iniciar o processo
•
Tentar manter velocidade do barco constante durante todo trajeto
•
Erros potenciais devido ao formato da seção transversal
•
Evitar demora no translado junto das margens
4. UTILIZAÇÃO DE MEDIDORES ACÚSTICOS DOPPLER EM
MEDIÇÕES DE SEDIMENTOS
4.1 Introdução
As medições de quantitativas de sólidos em suspensão utilizando ADCPs
ainda é uma ciência incipiente e extremamente melindrosa, pois exige
conhecimentos sobre o equipamento e o processo para que seja analisada
corretamente as correlações com o método tradicional antes da obtenção final.
4.2 Como o ADCP “vê” sedimento
As maior parte das micro partículas que nos referimos acima nada mais são
que sedimentos, é de fácil entendimento que se pudermos medir a quantidade de
retorno do eco e a sua força poderemos ter uma idéia do que há na água, esta é a
maneira que o aparelho usa, na verdade é até um dos seus controles de qualidade.
No entanto retirar de uma leitura de força do sinal um valor para sedimento
em suspensão requer um conhecimento mais profundo do aparelho e de hidro
acústica.
Os ADCPs basicamente utilizam à equação modificada do sonar (Urick,
1975).
EL = SL-2TL + SV +10 log 10 (Ve )5
(05)
Sendo:
EL: nível do eco em dB
SL: nível da fonte no transdutor em dB
2TL: duas vezes as perdas de transmissão (ida e volta)
Sv: força volume de eco das partículas em dB
Ve: Volume ensonificado (célula)
Que para sedimentos pode ser escrita como:
Log [CSSmedido] = A+B *RB
(06)
Onde:
5
ADCPs
A equação é ligeiramente diferente para ADPs devido a seu processamento ser diferente dos
RB = Acústico “backscatter” relativo
CSS = Concentração de sedimento em suspensão
A e B constantes retiradas da correlação entre o ABS - Acoustic Backscatter,
retorno do pulso sonoro lido pelo ADCP/ADP e a concentração de e sedimentos
medida com aparelhos “convencionais” em folha semi-log.
Colocando a equação (2) na forma exponencial fica:
CSSestimado = 10 (A+B*RB)
(07)
A fórmula na sua concepção parece simples, no entanto temos que atentar
para o fato de que para podermos usar o item RB na fórmula que é o ABS relativo. e
não é o ABS puro, é necessário antes retirar o ABS puro do ABS relativo para
chegarmos aos termos A e B.
Backscatter relativo é o eco no qual estão à soma do eco mais os ruídos
térmicos e acústicos. Para uma análise real é necessário conhecer o nível de
referencia, a partir do qual teremos apenas eco propriamente dito.
Teremos que lidar ainda com a diferença que há no sinal acústico ao ir se
afastando da sua fonte.
4.3 Perdas de Transmissão
O item perdas de transmissão (TL) tem suas dificuldades, e não é simples de
se calcular, algumas simplificações tem de ser feitas para possibilitar a
operacionabilidade da formula.
O sinal emitido tem perdas por espraiamento (espalhamento, dispersão),
atenuação (absorção) e cavitação (GAMARO, 2007).
Espraiamento ou dispersão é o efeito geométrico que representa o
enfraquecimento regular do sinal acústico conforme ele se espalha para longe da
fonte (URICK, 1967).
Absorção ou atenuação (α) é a forma real de perda, e envolve um processo
de conversão de energia acústica em calor, e por isso representa realmente uma
perda verdadeira de energia acústica para o meio onde a propagação ocorre.
(GAMARO, 2007).
O termo da perda é calculada pela fórmula 4:
2TL = 20 log10 R + [ 2* α * R]
R: distancia do volume ensonificado (célula) em metros
termo α : coeficiente de absorção em dB/m
(4)
20 log10 R: perda por espraiamento
2 α R: perda por absorção (da água)
O coeficiente alfa (α) é função da freqüência do ADCP, da temperatura,
salinidade e pressão.
E é calculado pela formula 5 (Schulkin e March 1962)
α = [AS ft f2 / (ft2 + f2 ) + Bf2 / ft ] 1- (6,54 * 10 -4 P)
(5)
S: salinidade em PSU
A: 2,34 x 10-6 (constante pra processo de relaxamento iônico )
ft: 21,9 x 10[6- 1520/(T+ 273)] (relaxamento da freqüência em kHz:
dependente da temperatura)
T: temperatura em graus Celsius
f: freqüência acústica em kHz
B: 3,38 x 10-6 (mecanismo de viscosidade, água pura).
P: pressão em atmosferas ou kg/cm3
A unidade é nepers/metro.
dB/m = 8,86 x nepers/metro
É importante notarmos que α w é um número grande na computação de
concentração de sólidos, e que mesmo pequenos erros ao medir a temperatura em
particular e a derivação do valor de α w aumentara muito o erro na estimativa da
concentração de sedimentos.
Por exemplo, um erro de 10% na determinação de alfa para um ADCP de
1200 kHz em águas a 20 0 C e salinidade 32 ppt dará um erro de 0.8 dB a 10 metros
de profundidade e 1,6 dB a 20 mts, isso em termos de estimativa de concentração
fornecerá um erro de 20% a 10 mts e 45% a 20 mts.
4.4 Ruídos
Ruídos é qualquer causa física que cause efeitos na intensidade do sinal não
sendo micro - partículas em suspensão na água. Quando a intensidade do sinal
acústico se aproxima da intensidade do ruído, fica difícil de ler, mesmo as
velocidades da água, mais ainda sedimentos.
4.5 Tipos de Ruídos
O ADCP precisa amplificar o retorno dos ecos para poder medir corretamente
as mudanças de fase (Phase shift, capitulo Z), ao fazer isto cria um ruído térmico.
O motor principal do barco, geradores no barco, bombas de água etc. criam
ruídos chamados por motores.
A água passando na face dos transdutores, bolhas de ar criado pela fricção
do casco com a água, ruídos do convés tais como mover objetos. Trepidação do
eixo do motor todos estes exemplos são ruídos que podem afetar a leitura de ABS e
lido como sedimento.
4.6 Limitações do Instrumento
Os limites superior e inferior da Intensidade do sinal, dos ADCPs asseguram
que a relação das medidas utilizadas count e dB é verdadeira, ou seja, 1 count =
0,43 dB.
Em situações de concentração com partículas grandes estas partículas
aumentam consideravelmente chegando às vezes a superar os valores de 200-250
counts, invalidando a relação acima.
Quando se propõe a fazer a medição da concentração de sedimentos com
ADCPs/ADPs temos que levar em conta todos estes fatores, e precisamos conhecer
bem aqueles que afetam a precisão desta medida.
4.7 Fatores Afetando a Precisão
•
Precisão ao medir a intensidade do eco (Backscatter)
•
Precisão da calibração
•
Precisão do processamento para converter Intensidade do backscatter
para concentração de sedimento, e nos parâmetros que assumimos
neste processamento. P ex. atenuação causada pela água e sedimento
•
Precisão em quão verdadeiro é a nossa medida de sedimento, ou seja,
o que há na água que não é sedimento que estamos medindo como
sedimento. P ex. bolhas de ar, algas.
Não é parte deste curso a medição de sedimento em suspensão com ADCPs,
é necessário pelo menos 40 horas aula, portanto não temos a pretensão de termos
entrado no tema, mas apenas á nossa intenção enumerar as inúmeras variáveis e
cuidados neste tipo de medição.
5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Concetration and Grain Size in The Colorado River in Grad Canyon Using a MultiFrequency Acoustic System”. USGS, 2004.
6. SOBRE O AUTOR
Paulo Everardo Muniz Gamaro é engenheiro civil, formado na Faculdade de
Engenharia de Volta Redonda, em 1981. Trabalha na Divisão de Estudos
Hidrológicos e Energéticos da Operação de Itaipu desde 1989 quando veio
transferido para a implantação e implementação da Rede de Controle
Hidrometeorologica de Itaipu. Participou nas medições de teste dos primeiros
ADCPs realizadas no Brasil em 1993.
É coordenador e criador do Grupo de estudos Doppler da ABRH, e
coordenador da Comissão de Hidrometria da ABRH. Faz parte do Grupo de Estudos
dos medidores Acústicos Doppler da USGS - United States Geological Survey. que
dita as normas e procedimentos para Medidores Acústicos Doppler. É coordenador e
criador da lista de discussão para medidores Doppler no Brasil.
Participou de diversos cursos internacionais como:
•
Curso de Operação de Medidores Acústicos Doppler-US Bureau of
Reclamation Denver CO – USA;
•
Curso Complex Index Velocity Rating da USGS, San Diego CA – USA;
•
Estimation os Suspended Solids Concretation Using Acoustics –
USGS, Sant Louis, 2007.
Já realizou mais de 5 mil medições de vazão com medidores acústico-doppler
tanto em rios nacionais quanto internacionais tais como: medições de vazão com
ADPs com GPS acoplados para avaliação dos resultados. Rio Sacramento CAUSA; avaliação de Medidores Horizontais Doppler para uso do cálculo de vazão
através da técnica de Velocidade Indexada. Rio Sacramento CA; medição de vazão
em pequenos rios utilizando pequenos catamarãs e transmissão dos dados via radio
.- Fort Collins CO –USA; medição de vazão com ADPs no estudo de avaliação para
instalação de um Argonaut-SL (Medidor Horizontal de velocidades) na saída das
turbinas da Hoover Dam rio Colorado AZ –USA; medições de teste com medidores
Doppler em Barcos com Controle Remoto no rio Colorado NV –USA. Medição do rio
Mississipi com ADP em St Louis-MO
Já apresentou diversos trabalhos em encontros, congressos e simpósios,
tanto nacionais como internacionais, tais como:
•
“ADCPs Problemas e Soluções” no Congresso Internacional “Hydrological
& Geochemical Processes in Large Scale River Basins” -Manaus AM
•
“Behavior of ADCPs in Tropical Rivers” no II Hydroacoustics Workshop da
USGS – Tampa FL
•
“Application of a Argonaut Side Looking Doppler flow meter for measuring
discharge on the southern leg of the Paraná river at the entrance of Itaipu’s
reservoir” no Hydraulic Measurements Experimental Methods; Estes Park
CO -USA
•
“Paraná’s River Argonaut SL results” apresentado no “The 8th Conference
on Science & Technology”- HoChiMinh Vietnam, trabalho também
apresentado a engenheiros na usina de Três Gargantas na China.
•
“Using SLs and SWs – New Projects in Itaipu” apresentado no “ II Sontek
Doppler Users Conference”; em Orlando-FL USA.
•
“A Brazilian experience with Doppler measurements” no Sontek Doppler
Users Conference- Las Vegas -NV-USA.
•
“Compensação de Vazões medidas com ADCP em seções com Fundo
Móvel” e “Avaliação do uso do GPS em medições Acústicas na Itaipu” no
XV Simpósio da ABRH Curitiba PR
•
“Utilização de um Medidor Doppler Horizontal para medir vazão
continuamente na estação de Caiua no rio Paraná”;
•
”Primeira análise dos métodos para correção ou medição de Vazão em
seções com Fundo Móvel” .
•
“Avaliação do teste do uso de um medidor de vazão Doppler para verificar
a vazão turbinada da usina de Itaipu” .
•
“Aquisição de dados hidrológicos para os sistemas de informações de
Recursos Hídricos Quando começar ? “ no XVI Simpósio Brasileiro de
Recursos Hídricos.Novembro 2005.
•
“Procedimentos para Avaliar uma Medição Doppler” e “Procedimento
Padrão para Garantia de Qualidade das Medições de Descarga Liquida
com Equipamentos Acústicos Doppler ADCP e ADP”, apresentado no
congresso da Associação Brasileira de Recursos Hídricos – ABRH em
2005, João Pessoa – PB como documento de padronização de
procedimentos da Comissão de Hidrometria da ABRH.
É instrutor de diversos cursos, como as edições do Curso Internacional de
Medição de descarga líquida em Grandes Rios, o I II e III Curso de medidores de
vazão Acústico-Doppler . Foi instrutor no curso de Primeiras Noções de medição de
Vazão com medidores Doppler, realizado no I Congresso Paraguaio de Recursos
Hídricos.
Atualmente é responsável pelas medições em todos os rios da bacia
Incremental de Itaipu, e realiza estudos de operação com os equipamentos de
medição de vazão Doppler no Brasil especialmente na Amazônia.
7. AGRADECIMENTOS
Meus profundos e sinceros agradecimentos a equipe de Hidrologia de
Campo, da Divisão de Estudos Hidrológicos e Energéticos da Itaipu Binacional,
companheiros do dia-a-dia, de incansáveis repetições de medições na busca de
erros e acertos em cada atividade.
Aos Companheiros da USGS pela disponibilização de dados e trocas de
informações que, sem eles, tornaria muito mais difícil a realização desta apostila.
Ao grande amigo Mauro Silvio Rodrigues pelo incentivo constante em
escrever minhas e nossas experiências de campo, para partilhar com todos.
Paulo Everardo Muniz Gamaro