Aula Prática de Laboratório : Instrumentos meteorológicos

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Disciplina ACA 221 Instrumentos Meteorológicos e Métodos de Observação
Departamento de Ciências Atmosféricas / IAG/USP
Prof. Humberto Ribeiro da Rocha, Helber Freitas, Eduardo Gomes
Relatório : entrega junto com a prova
Aula Prática de Laboratório :
Instrumentos meteorológicos automáticos
Os objetivos desta aula são descrever fundamentos de medição automática de
instrumentos meteorológicos:
1. tendo disponíveis equipamentos de medição da temperatura e umidade do ar, com um
conjunto termo-higrômetro (termômetro de resistência e higrômetro capacitivo), e um
psicrômetro (termistor) automático modelo Assmann ;
2. ensinar princípios de utilização do datalloger (coletor automático de dados) ;
3. realizar um procedimento de calibração simplificada, utilizando-se dos equipamentos
utilizados.
Roteiro da aula
1a etapa: Reconhecimento dos equipamentos na bancada
Termo-higrômetro não-aspirado
Termo-higrômetro aspirado
termômetro resistivo
higrômetro capacitivo
termômetro resistivo
higrômetro capacitivo
termômetros do tipo termistor
Psicrômetro modelo Assmann
Datalogger
Computador e software de interface com datalogger
2a etapa : Conceito, arquitetura e aplicação do datalogger
(aula teórica dada em sala)
3a etapa : Programação do datalogger
São utilizados 3 equipamentos eletrônicos, ligados ao datalogger:
a1) psicrômetro automático convencional aspirado (modelo padrão Assmann da
Organização Meteorológica Mundial) com termômetros (tipo termistor T107) de bulbo
seco (temperatura T1) e de bulbo úmido (temperatura T1w );
a2) equipamento (modelo CSI/HMP45C) aspirado com termômetro (detector resistivo de
platina) (temperatura T2) e higrômetro (sensor capacitivo de umidade relativa UMICAP
180) (umidade relativa UR2);
a3) equipamento (modelo CSI/HMP45C) não-aspirado com termômetro (detector
resistivo de platina) (temperatura T3) e higrômetro (sensor capacitivo de umidade relativa
UMICAP 180) (umidade relativa UR3);
detector resistivo (RTD) de platina acurácia ±2% de 10-90% UR; ±3% de 90-100% UR
termistor T107 acurácia ±0.2°C (0° to +50°C)
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Outras variáveis disponíveis: TB = temperatura do barômetro, pB = leitura da pressão
barométrica.
Reconheça as posições dos fios do psicrômetro ligado ao datalogger, fazendo a associação
porta – equipamento da seguinte forma :
Fio (cor)
Canal
Função
verde
....
....
preto
....
....
cristal
....
....
Utilizando o software PC208W
a) edite o código do programa de aquisição e controle dos dados
(tarefa feita com instrução simultânea na aula, também para os itens seguintes b-d)
b) Salvar o programa, compilar o programa, enviar o programa ao datalogger.
c) Entre no modo de visualização
d) Descreva a evolução temporal das variáveis controladas.
e) Descarregue os dados no disco rígido (C:/ACA221/nomeusuario/...) e edite.
(crie um nomeusuario para você ao descarregar)
4a etapa: Calibração dos Termômetros e Psicrômetros
Calibrar um termômetro é fazer sua comparação com um padrão (ou referência), para um
certo intervalo de temperatura, assim obtendo uma nova fórmula de estimativa da
temperatura. Os equipamentos foram utilizados simultaneamente, nas imediações do
IAG/USP (Foto1).
1
Foto 1: Montagem feita para aquisição de
dados para calibração utilizados nesta aula
(exercícios 5 e 6), com equipamentos
2
3
(1) psicrômetro Assman,
(2) CSI/HMP45C aspirado e
(3) CSI/HMP45C não-aspirado.
Os dados foram adquiridos simultaneamente. A série temporal medida será fornecida aos
alunos em planilha eletrônica (formato Excel) no seguinte formato de colunas, com 2
pastas (Calibração dos Termômetros, Calibração da umidade) :
Dia, hora, T1w, T1, T3, UR3,T2, UR2, TB, pB
(temperatura em oC, umidade relativa em %, pressão em hPa)
no endereço http://www.dca.iag.usp.br/www/material/humberto/aca221/
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a) Com as séries temporais das médias de 2 min de T1, T1w, T3 e T2 , faça a calibração
dos sensores T1, T1w, e T3, respectivamente, supondo o termômetro T2 como a
referência. A série de T2 será a variável dependente (y) e as séries de T1, T1w e T3,
respectivamente, serão as variáveis independentes (x). (Veja questão 5 do roteiro de
relatório)
b) Identicamente, com as séries temporais da umidade específica do ar, calculada para cada
equipamento (q1, q3 e q2), faça a calibração de q1 e q3, respectivamente, supondo a
umidade específica q2 como a referência. (Veja questão 6 do roteiro de relatório)
Roteiro do Relatório
Para fazer o relatório, responda as seguintes questões :
1. Descreva as posições dos fios do equipamento a1 ligado ao datalogger, fazendo a
associação porta – equipamento da seguinte forma :
Fio (cor)
Canal
Função
verde
....
....
preto
....
....
cristal
....
....
2. Qual o tipo de ligação (SE ou Diff) utilizada para cada equipamento (cheque no código
do programa para verificar) ?
3. Qual padrão (por ex: quem superestima quem ? há resposta mais rápida de algum
equipamento ?) se observou na visualização dos dados adquiridos em tempo real ?
4. Em uma página, descreva as funções e recursos de um datalogger, e faça um fluxograma
do programa implementado com os termômetros e higrômetros, indicando as principais
funções de comando.
5. Calibração dos termômetros :
Os termômetros utilizados na experiência não coincidiam exatamente entre si. Para isso é
necessário calibrá-los com um padrão. Esse padrão será o termômetro do termohigrômetro aspirado (T2), por conveniência. Os dados visualizados no laboratório foram
apenas demonstrativos, e os dados apropriados coletados para a calibração estão no web
site das aulas teóricas (baixe a planilha). Para fazer a calibração, faça o seguinte :
a) Plote a evolução temporal de T1, T1w e T2 (juntos em um gráfico), e de T3 e T2 (juntos
em outro gráfico) e comente de forma suscinta se há e como ocorre alguma superestima.
b) Estime a regressão linear, na forma y = a + bx, calculando os coeficiente a, b, e o
coeficiente de regressão linear R2, e a raiz do erro quadrático médio (RMSE). A calibração
obtida, para cada caso separadamente, será expressa na temperatura corrigida (índice c)
como :
Ti_c = ai + bi Ti
onde ni = número de eventos, Ti = (T1, T1w ou T3) , Ti_c = (T1_c, T1w_c ou T3_c).
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RMSEi =
1
ni
∑ (T i − T i _ c)t
n
2
t =1
Comente a calibração, expressando os resultados em uma tabela do seguinte formato.
RMSE
Variável
N a
b
R2
T1
T1w
T3
c) Plote em 3 gráficos distintos (T2 em função de T1), (T2 em função de T1w), e (T2 em
função de T3), respectivamente:
a dispersão das amostras
a reta 1:1 (mantenha escalas iguais nos eixos x e y).
a reta da regressão linear estimada.
6. Calibração da umidade do ar: para ter os dados, utilize a pasta “ Calibração da
umidade” da planilha fornecida.
Calcule a umidade específica dos 3 equipamentos (q1, q2 e q3, em g/kg), e realize o mesmo
procedimento de calibração de q1 e q3, respectivamente, com a umidade específica q2 de
referência, desenvolvendo resultados similares aos itens (a,b,c) da questão 5.
Importante : para o cálculo da umidade do ar, quando for necessário utilizar a temperatura
do ar, deve ser utilizada a temperatura corrigida obtida na questão 5.
Fórmulas utilizadas
Conversão da umidade específica (q) e pressão de vapor d´água (e)
q = 1000
ε e
,
p - (1 - ε )e
ε = 0,622 ; (e,p) em hPa ; q em g/kg
Cálculo da umidade específica no sensor capacitivo
UR =
e
e s (p, T)
e s (p, T) = f . e s (T) = f . 6,1121 exp
(17,502 T )
(240,97 + T)
(fórmula de Buck corrigida c/ pressão)
onde (e,es,p) em hPa, (T) em oC
fator correção pressão: f = 1,0016+ 3,15 x 10-6 p - 0,074/p
(p em hPa)
Cálculo da umidade específica no psicrômetro Assmann
e = es (p,Tw) – A . p . (T – Tw)
(equação psicrométrica)
e s (p, Tw) = f . e s (Tw) = f . 6,1121 exp
(17,502 Tw )
(240,97 + Tw)
(fórmula de Buck corrigida)
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onde (e,es,p) em hPa, (T,Tw) em oC, A = constante psicrométrica
A = a ( 1 + 9,44 . 10-4 Tw)
(Tw em oC), a = 9,53 . 10-4
pB0 = pB . (1 – 1,63 . 10 -4 . TB)
p = pB0 – 1,3 . (1013,25 /760 )
pB0 = pressão do barômetro reduzida a 0oC (em hPa)
pB = leitura barométrica (em hPa)
TB = temperatura do barômetro (em oC)
p = pressão atmosférica corrigida (em hPa)
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Fig.1.:Ilustração do datalogger utilizado, com legenda dos terminais.
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Programa desenvolvido no software PC208W para datalogger cr10X
NOTAS
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
:
verifique no datalogger as portas SE (azul) e Diff (branco)
abrir PC208W; abrir File, abrir New
abrir nova área de programa, escolhendo CR10X
salvar em c:\ACA221\usuario\filename
(max 8 digitos)
editar o program: digite apenas o número precedido pela letra P
exemplo (P86), digite 86 <enter>
OBS: comentários nas linhas estão em negrito, após o ;
---------------------------------------------------------------------*Table 1 Program
01: 2
Execution Interval (seconds);tempo de execução (loop)
do programa; a cada 2 seg.
1: Do (P86);
1: 41
Set Port 1 High; ativa o equipamento HMP (sistema 2)
2: Do (P86) ;
1: 42
Set Port 2 High; ativa o equipamento HMP (sistema 3)
3:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
Temp (107) (P11); ativa psicrômetro Assman (sistema 1)
2
Reps ; 2 termômetros ligados em sequencia
1
SE Channel; canal e tipo de ligação usada (SE1 e SE2 sequencial)
1
Excite all reps w/E1; porta de excitação do T107
1
Loc [ T
]; local e nome da variável
1
Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração
0.0
Offset; || || ao coef. linear de uma reta de calibração
4:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
Volt (Diff) (P2)
1
Reps; 1 HMP com ventilação (sistema 2)
5
2500 mV Slow Range; intervalo de representatividade das T(ºC)
4
DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada
3
Loc [ T_HMP2
]; local e nome da variável
0.1
Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração
-40
Offset ; || || ao coef. linear de uma reta de calibração
5:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
Volt (Diff) (P2)
1
Reps; 1 HMP com ventilação (sistema 2)
5
2500 mV Slow Range; intervalo de representatividade das UR(%)
5
DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada
4
Loc [ U_HMP2
]; local e nome da variável
0.1
Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração
0.0
Offset; || || ao coef. linear de uma reta de calibração
6:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
Volt (Diff) (P2)
1
Reps; 1 HMP sem ventilação (sistema 3)
5
2500 mV Slow Range; intervalo de representatividade das T(ºC)
2
DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada
5
Loc [ T_HMP3
]; local e nome da variável
0.1
Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração
-40
Offset; || || ao coef. linear de uma reta de calibração
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7:
1:
2:
3:
4:
5:
6:
Volt (Diff) (P2)
1
Reps; 1 HMP sem ventilação (sistema 3)
5
2500 mV Slow Range; intervalo de representatividade das UR(%)
3
DIFF Channel; canal e tipo de ligação usada
6
Loc [ U_HMP3
]; local e nome da variável
0.1
Mult; corresponde ao coef. angular de uma reta de calibração
0.0
Offset; || || ao coef. linear de uma reta de calibração
8:
1:
2:
3:
If time is (P92); condição de tempo
0
Minutes (Seconds --) into a; não há defasagem
2
Interval (same units as above); a cada 2 minutos
30
Then Do; executa o que segue abaixo, até a instrução END
9: Do (P86)
1: 10
Set Output Flag High (Flag 0); libera a memória final
10: Real Time (P77); dados de tempo
1: 220
Day,Hour/Minute (midnight = 2400); formato dos dados de tempo
11: Average (P71); calcula a média das variáveis requisitadas
1: 6
Reps; calcula a média das 6 variáveis em seqüência a partir da “T”
2: 1
Loc [ T
]; primeira variável para cálculo de médias
12:
End (P95); fim das execuções e fim do programa
*Table 2 Program
02: 0.0000
Execution Interval (seconds)
*Table 3 Subroutines
End Program
--------------------------------------------------------------------OBS.: Para compilar o programa, basta mandar salvar e concordar com a
sugestão de compilação. Se estiver tudo certo, haverá uma mensagem
dizendo.
--------------------------------------------------------------------Para visualizar dados ----------------------------------------------Connect
Connect
Send
C:\aca2211\user\filename.dld
Numeric
(view tabela de dados em tempo real)
Graphs
(view modo gráfico em tempo real)
Setup (abre temperatura e umidade separadamente)