centro federal de educação tecnológica de santa catarina

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DESENVOLVIMENTO DE UM ANEMÔMETRO PARA ESTAÇÕES
METEOROLÓGICAS AUTOMÁTICAS
Jorge Henrique Bortolotto 1
Daniel Augusto de Abreu Combat 2
Gesiel Fernandes 3
Diana D. Becker 4
Orientador: Sérgio Pereira Candido
RESUMO: Hoje em dia os instrumentos para medição da velocidade do vento (anemômetros)
são considerados de extrema importância para diversos segmentos de pesquisa. O intuito
principal neste trabalho foi de desenvolver um instrumento que atendesse primeiramente as
necessidades didáticas. Com alguns materiais convencionais e componentes eletrônicos foi
elaborado um dispositivo que capta velocidade do vento e envia pulsos para um datalogger
(CR10X) de forma simples e objetiva.
Palavras-Chave: Anemômetro, Desenvolver.
1. Introdução
O vento percorre sem cessar todos os cantos do planeta, apresentando suas diversas
faces, desde brisa quase imperceptível até potentes furacões. Em todos os casos, entretanto,
trata-se de um fenômeno que tem uma única definição: é “ar em movimento”.
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Endereço dos autores:
Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina – CEFET/SC
Av. Mauro Ramos, 950 - Centro - 88020-300 - Florianópolis, SC.
Telefone: 48 3221-0601 - Fax 32210601
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O conhecimento da velocidade do vento é importante em diversas aplicações, tais como
aeroportos, balonismo, pilotos de asa-delta, pára-quedistas, barcos e indústrias.
A velocidade do vento pode ser medida com um instrumento meteorológico
denominado anemômetro. O anemômetro (do grego anemus = vento) é um dispositivo
amplamente utilizado para medir a direção e a velocidade dos ventos, sendo normalmente
encontrado em todas as estações meteorológicas, em diversos aeroportos, aeroclubes, túneis de
vento e na navegação de pequenas embarcações.
Existem hoje disponíveis no mercado vários modelos de anemômetros dentre eles
destacamos:
Anemômetro
eletrônico
(resfriamento);
Ultra-sônicos
(efeito
Doppler);
Anemômetro de conchas; Anemômetro helicoidal.
1.1 Tipos de Anemômetros
Anemômetro eletrônico: Usa a diferença entre o tempo de resfriamento de dois
transistores.
Figura 01 – Placa de um anemômetro eletrônico.
Anemômetro Ultra-sônico: O sensor ultra-sônico de vento é um instrumento que determina a
direção e a velocidade horizontal do vento. Possui um circuito eletrônico com um microcontrolador que captura e processa os sinais e realiza comunicação serial com a PCD.O sensor de
vento possui um arranjo de três transdutores ultra-sônicos igualmente espaçados no plano
horizontal, formando um triângulo eqüilátero. O sensor mede o tempo de transito, isto é, o tempo
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que a onda de ultra-som leva para se deslocar de um transdutor para o outro. O tempo de trânsito é
medido em ambas direções, resultando os tempos de trânsito direto e reverso.
Figura 02 – Anemômetro Ultra - Sônico
Anemômetro de conchas: Os anemômetros de conchas metálicas rotativas destinam-se à
medição de ventos cuja velocidade varie de 8 a 160 km/h e os de hélices à medição de ventos de
1,6 a 40 km/h. Consiste em um rotor com 3 conchas hemisféricas que acionam um mecanismo
onde é instalado um sensor eletrônico.
Este instrumento serve para medir a circulação do ar em qualquer ponto que à
circulação de ar (vento, tornados, tempestades etc...). São usados para medir a circulação de ar
dentro de motores elétricos e para verificar como estão as condições climáticas em qualquer
situação.
São poucas as indústrias que possuem esse equipamento, ele pode ser encontrado em
firmas que precisam de ventilação controlada e até mesmo para prever o tempo através da
velocidade dos ventos.
Figura 03 – Anemômetro de conchas
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Anemômetro Helicoidal: Um dos modelos mais usados atualmente pelas estações
meteorológicas instaladas em regiões adversas, como na Antártida, é conhecido como
aviãozinho. Dotado de uma hélice para fluxo axial ele pode trabalhar com ventos de até 320
quilômetros por hora. Tem um corpo central que funciona como gerador de sinais e de energia
para o indicador de velocidade, e sua 'rabina' ou cauda, além de manter a hélice na direção do
vento, ainda fornece eletronicamente esta direção. Os dados são acumulados em um
registrador ou numa memória eletrônica que é descarregada para coletores de dados ou
transmitidos à distância.
Figura 04 – Anemômetro Helicoidal
Atualmente a maioria dos aparelhos que se destinam mensurar as variáveis
meteorológicas são geralmente fabricados no exterior, em países de primeiro mundo, e
possuem alto custo comercial. Os anemômetros são instrumentos sofisticados e com custo
elevado, no entanto, também é possível criar versões caseiras que servem para proporcionar
um estudo e conhecimento de seu funcionamento.
O presente trabalho tem por objetivo demonstrar como fazer um anemômetro de
cochas para medir a velocidade do vento, tendo como finalidade agregar baixo custo à sua
produção e funcionamento possibilitando o conhecimento de sensores utilizados nesta
aplicação.
Utilizando-se um anemômetro com conchas montadas a distâncias iguais e formando
ângulos retos com o eixo vertical, pôde-se calcular a velocidade do vento. A força exercida
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pelo vento na superfície interna da concha é maior do que na externa, assim, as conchas fazem
com que o eixo vertical comece a girar e possibilite o registro da velocidade.
2. Metodologia
Para a elaboração deste instrumento foram utilizados os seguintes materiais e componentes:
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Três conchas de alumínio com cabo;
Madeira para a base do instrumento (compensado);
Tubo de PVC;
Rolamentos;
Pregos;
Fibra plástica ótica;
Fototransistor;
Diodo emissor de luz (LED);
Placa de montagem;
Fios;
Solda;
Estanho;
Solução de percloreto de ferro;
Espelho;
Luva termoretrátil;
Ferramentas utilizadas:
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Furadeira;
Martelo;
Arrebitadeira;
Marreta;
Serra tico-tico;
Perfurador de placa;
Ferro de solda;
Chave de fenda;
2.1 Dispositivos Optoeletrônicos
As fontes de energia luminosa possuem características não encontradas em outras fontes
de energia. Esta energia, transmitida na forma de fótons, é diretamente relacionada com a
freqüência da onda de luz emitida.
A optoeletrônica é uma tecnologia que associa a óptica com a eletrônica, baseados na
reação de uma junção polarizada. Os componentes optoeletrônicos mais conhecidos são os
diodos emissores de luz (LED), fotodiodos, optoacopladores, etc.
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2.2 Diodos emissores de luz (LED)
Em um diodo de junção comum com polarização direta, há uma combinação de
portadores na junção (elétrons-lacuna). À medida que esses elétrons caem de um nível mais alto
de energia para um nível mais baixo, eles irradiam energia, sendo uma parte dessa energia
emitida em forma de calor e outra parte na forma de fótons.
No silício e no germânio a maior parte dessa energia é emitida na forma de calor, sendo
a luz emitida insignificante. Os diodos LED têm sido atualmente utilizados para indicação em
substituição das lâmpadas pilotos convencionais, devido ao seu baixo consumo de energia
(baixa tensão e baixa corrente), sua vida longa e rápida comutação on-off (liga-desliga).
Enquanto os diodos comuns são fabricados a partir do silício e do germânio, os LEDs
são construídos a partir de elementos como o fosfato de arsenieto de gálio (GaAsP) ou o fosfato
de gálio (GaP) e o número de fótons de luz emitida é suficiente para constituir uma fonte de luz
bastante visível. O processo de emissão de luz por aplicação de uma fonte elétrica de energia é
chamada de eletroluminescência. Como o LED é um dispositivo de junção pn ele terá uma
característica de polarização direta. O símbolo mais utilizado para representar um diodo LED é
mostrado abaixo:
Figura 05 – Simbologia do Diodo emissor de luz (LED)
2.3 Fotodiodos
O fotodiodo é um diodo de junção construído de forma especial, de modo a possibilitar
a utilização da luz como fator determinante no controle da corrente elétrica. Caracteriza-se por
ser sensível à luz, isto é, quando a luz incide em sua junção, ocorre uma produção de elétrons e
lacunas.
Quanto maior for a intensidade luminosa que incide na junção, maior será o número de
portadores minoritários e maior será a corrente reversa. Em resumo, podemos dizer então que
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um fotodiodo é um dispositivo que converte a luz recebida em uma determinada quantidade de
corrente elétrica.
Figura 06 - Simbologia do fotodiodo
2.4 Fototransistor
Fototransistor é um transistor cujo encapsulamento permite a incidência d luz sobre a
junção base-coletora. A corrente gerada pela luz na junção é amplificada pelo transistor, como
se fosse uma corrente de base convencional. A corrente de coletor do fototransistor é, portanto,
proporcional à intensidade luminosa incidente sobre o componente. Na aplicação do
fototransistor pode-se usar o mesmo circuito típico do fotodiodo.
As vantagens do fototransistor em relação ao fotodiodo são:
• A intensidade de corrente maior (em função da amplificação);
• Existência da base-coletora que permite escolher o ponto de operação desejado.
A desvantagem reside no fato de que o tempo de resposta do fototransistor é maior.
Modernamente os fototransistores estão sendo utilizados em conjunto com diodos emissores de
luz num único encapsulamento, que são chamados de acopladores ópticos.
Este componente é muito utilizado na isolação de estágios de corrente contínua e também
corrente alternada nos equipamentos.
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Figura 07 – Simbologia do Fototransistor
2.5 Sensor Fotoelétrico
O sensor fotoelétrico baseia-se na transmissão e recepção de luz infravermelha, podendo
ser refletida ou interrompida pelo objeto a ser detectado. Este tipo de sensor é composto por
dois circuitos básicos: um transmissor (LED –diodo emissor de luz), responsável pela emissão
do feixe de luz, e o receptor (fototransistor ou fotodiodo), responsável pela recepção do feixe de
luz.
Os sensores ópticos são capazes de detectar vários tipos de objetos. Os objetos
transparentes, entretanto, não podem ser detectados por ele.
Através do sensor foto-elétrico é possível a aplicação de encoders, onde um disco espelhado
permite a passagem ou não do feixe de luz. Desta forma a posição ou velocidade é registrada
contando-se o número de pulsos gerados obtendo uma freqüência.
2.6 Fibra plástica ótica
Fibra óptica é um filamento, de vidro ou de materiais poliméricos, com capacidade de
transmitir luz. Estes filamentos têm diâmetros variáveis, dependendo da aplicação, indo desde
diâmetros ínfimos, da ordem de micra (mais finos que um fio de cabelo) até vários milímetros.
A transmissão da luz pela fibra segue um mesmo princípio, independentemente do material
usado ou da aplicação: é lançado um feixe de luz em uma extremidade da fibra, e pelas
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características ópticas do meio (fibra), esse feixe percorre a fibra através de consecutivas
reflexões.
A fibra possui no mínimo duas camadas: O núcleo e o revestimento. No núcleo ocorre à
transmissão da luz propriamente dita, embora o revestimento não seja menos importante. A
transmissão da luz dentro da fibra é possível graças a uma diferença de índice de refração entre
o revestimento e o núcleo, sendo que o núcleo possui sempre um índice de refração mais
elevado, característica que aliada ao ângulo de incidência do feixe de luz, possibilita o
fenômeno da reflexão total.
2.7 Montagem - Parte mecânica
A busca pelos materiais necessários foi orientada da seguinte forma: selecionamos
materiais de baixo custo e fácil aquisição.
Na maioria das vezes reciclamos o uso dos
materiais.Como exemplos, rodas de skate, um pedaço de PVC, conchas de feijão entre outros.
Depois de reunidos, começamos a montar. Primeiramente a base que foi confeccionada com um
estrado de madeira, em seguida foi adaptada um pedaço de cano de PVC para servir de
estrutura, as conchas de feijão foram utilizadas para o sensor de vento.
2.8 Montagem - Parte eletrônica
A placa do circuito foi confeccionada manualmente pelos integrantes e posta para
corroer em solução de Percloreto de ferro no laboratório do curso de eletrônica do CEFET/SC.
As dimensões da placa em fenolite são de 10 x 5 cm, com o desenho do circuito completo.
Foram soldados os componentes eletrônicos na mesma. Por fim foram realizados testes com a
placa para comprovar o seu funcionamento.
2.9 Circuito de controle
L1 – LED ou (diodo emissor de luz)
L2 – Fototransistor
R1 - Resistor
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P1 – Saída de pulso
+ / - Alimentação
Figura 08 – Demonstração do circuito
Figura 09 - Exemplo de anemômetro construído artesanalmente, formado basicamente por um
gerador elétrico, um sistema de hélices e um voltímetro.
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2.10 Datalogger
O datalogger CR10X é um sistema de controle e medidas projetado para realizar coleta
automática de dados. É completamente programável, possui memória não-volátil, relógio
interno, constituindo um equipamento compacto, robusto, selado e de baixo custo.
A precisão de suas medidas permite que seja utilizado tanto em aplicações científicas
quanto em operações rotineiras.Possui a capacidade de medir virtualmente qualquer sensor de
controlar equipamentos externos (por exemplo, acionar equipamentos elétricos, abrir comportas,
etc.).
Este aparelho será de grande utilidade para o projeto, pois contará os pulsos elétricos do
anemômetro.Por isto, fizemos uma pequena programação para que os pulsos elétricos fossem
transmitidos em velocidade do vento.
Programação para o sensor do anemômetro utilizando o programa Loggernet:
01:
Pulse (P3)
1:
1
Reps
2:
1
Pulse Input Channel
3:
20
High Frequeny, Output Hz
4:
10
Loc [ WS_mph ]
5:
.09792 Mult
6:
.2
Offset
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3. Resultados
O equipamento apresenta um funcionamento mecânico razoável. Já a precisão da parte
eletrônica, não pode ser avaliada, pois não possuímos um datalogger reserva para tal fim,
considerando o alto custo no caso de uma avaria no utilizado na estação do CEFET/SC.
4. Considerações Finais
Durante a elaboração do projeto, encontramos dificuldades com relação ao processo de
montagem do equipamento. Da mesma forma demos prioridade em usar materiais e
componentes de fácil acesso e baixo custo comercial Depois de construído observamos que o
equipamento necessita de uma análise mais detalhada no que diz respeito à qualidade de seus
dados.
Torna-se necessário que seja realizado posteriormente uma espécie de aferição dos
dados, dando o sentido de calibração. De tal forma, sugerimos que possa ser dada continuidade
nesta pesquisa no sentido de aperfeiçoar o instrumento utilizando materiais e componentes que
possuam maior durabilidade e confiabilidade. Mas considerando que o objetivo do projeto é a
simples construção de um instrumento adaptável a estações meteorológicas automáticas e não o
perfeito funcionamento do mesmo, podemos avaliar que este projeto serviu para agregar valores
didáticos.
5. Agradecimentos:
Agradecemos a todos os professores e colegas que contribuíram de alguma forma para a
elaboração deste projeto.
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6. Referências bibliográficas:
Disponível em http://www. campbell.com acesso em 23-11-06
Disponível em http://pt.wikipedia.org/wiki/Anem%C3%B4metro acesso em 15-10-06
Disponível em http://www.impac.com.br/AmbientalAnemometroMicroHelice.htm acesso
em 29-11-06
Disponível em http://www.cerpch.unifei.edu.br/fontes_renovaveis/eolica.htm acesso em 0112-06
Disponível em www.ucs.br/ccet/demc/vjbrusam acesso em 23-09-06
Disponível em www.national.com acesso em 13-11-06
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Editora Érica – 7ª Edição – 2003
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Editora Saber – 1ª Edição – 104 páginas - 2004