Detecção de lâmina d`água em pista de pouso e decolagem de

Detecção de lâmina d’água em pista de
aeródromo
Glauber de Souza
[email protected]
João Paulo Nunes Góss
[email protected]
Marcio de Oliveira Santos
[email protected]
Thiago Ramos de Souza
[email protected]
Alunos do Curso Técnico de Meteorologia do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de
Santa Catarina
Av. Mauro Ramos, 950, Centro, Florianópolis, Santa Catarina
Resumo: Para evitar a hidroplanagem em pista de pouso e decolagem na área de
aeródromo foi desenvolvido um sensor meteorológico que detecta nível de lâmina d’água,
que é uma das principais causas de acidentes em aeroportos. Na construção do sensor
foi utilizada uma associação em série de resistores alimentados por uma bateria, que,
através de um leitor de tensão elétrica programável, transforma a leitura de tensão do
circuito elétrico em milímetros. Após os testes, foi concluído que o sensor mostrou-se
eficiente para a mensuração de nível de lâmina d’água.
Palavras-Chave: Lâmina d’água. Sensor. Nível. Resistores. Hidroplanagem.
Abstract: In order to avoid the hydroplaning in landing and taking off track in airfield area
it was developed a meteorological sensor that detects the level of the water layer, which is
a major cause of accidents in airports. In the sensor construction it was used an
association in series of resistors using a battery, which, through a programmable electric
voltage reader, becomes the reading of electric circuit voltage in millimeters. After the
tests, it was concluded that the sensor showed efficient to measure the level of the water
layer.
Key Words: Water layer. Sensor. Level. Resistors. Hydroplaning.
1. Introdução
Este
artigo
apresenta
o
desenvolvimento
de
um
sensor
meteorológico que detecta nível de lâmina
d’água em pista de pouso e decolagem na
área de aeródromo. A presença de água
na pista favorece a ocorrência de
hidroplanagem, que ocorre quando as
aeronaves efetuam o pouso. Este sensor
é de suma importância em aeroportos,
pois a precisa detecção de água na pista,
evita que acidentes trágicos ocorram,
evitando que várias vidas sejam
dizimadas.
2. Fundamentação teórica
2.1 A lâmina d’água
A importância de se detectar lâmina
d’água em uma pista de pouso e
decolagem de aeronaves foi salientada
por Santos (2004, p.17), que aponta as
pistas contaminadas por água ou gelo
como a quarta maior causa de acidentes
em pousos e táxis nos Estados Unidos
entre 1992 e 1996.
A presença de uma lâmina d’água
em uma pista de pouso e decolagem
pode ter consequências preocupantes,
como a hidroplanagem, que segundo
Santos (2004, p.17), se inicia no ponto
onde a elevação hidrodinâmica sob os
pneus equivale ao peso do veículo
conduzido sobre as rodas. A partir desse
ponto, qualquer aumento da velocidade
acima desse valor crítico elevará
completamente o pneu do pavimento (é aí
que a hidroplanagem se inicia). A mesma
pode se apresentar de três formas:
hidroplanagem viscosa, dinâmica e de
borracha retornada. A formação desta
hidroplanagem depende de alguns fatores
como intensidade de chuva, tecnologias
de segurança de voo, escoamento da
pista do aeródromo, tipo de pavimento
que, segundo Santos (2004, p.13), a
Engineering Sciences Data Unit (ESDU)
(1971, p.40) classifica os pavimentos em
quatro tipos de acordo com a rugosidade
da macro e da microtextura do mesmo.
Essa hidroplanagem causa a perda
do atrito entre o pneu da aeronave e o
pavimento da pista. Segundo Santos
(2004, p.11), se duas superfícies em
contato tendem a se mover uma sobre a
outra surge uma força “resistente”
denominada força de atrito. Quando essa
força de atrito se opõe à força aplicada, a
constante de proporcionalidade entre o
movimento é denominada coeficiente de
atrito estático.
O atrito é um dos fatores primordiais
para a segurança de voo. Santos (2004,
p.11), em um estudo com pneu e
pavimento, concluiu que este coeficiente
de atrito passa a depender de vários
fatores, tais como, estado dos pneus,
velocidade da aeronave, condições do
pavimento e, principalmente, a presença
de lâmina d’água.
Para tentar conter o fator lâmina
d’água na pista, a Infraero utiliza, nas
pistas de pouso e decolagem de
aeronaves, a tecnologia do grooving.
Trata-se de ranhuras na pista de ¼ de
polegada (cerca de 6 milímetros) de
profundidade e ¼ de polegada de largura
com uma polegada (aproximadamente 2,5
centímetros) de separação entre elas
(DOMINGUES, 2006, p.27).
Grooving ou ranhuramento é a única
maneira eficaz para se evitar a
hidroplanagem em situações de pousos
em pistas molhadas. Seja em pistas
construídas
em
pavimento
rígido
(concreto) ou flexível (asfalto). O
ranhuramento aumenta o coeficiente de
atrito, proporcionando maior área de
contato não encharcada, agilizando o
escoamento de água para as laterais da
pista (SANTOS, 2004, p.40 apud
DOMINGUES, 2006, p.27).
Segundo a Infraero, sem informar
muitos detalhes e extraoficialmente, pois
não é feito a mensuração diária do dado,
na pista de pouso e decolagem na área
do aeródromo de Florianópolis, o máximo
de acúmulo d’água gira em torno de 0,2
milímetros, devido ao grooving, que é
uma tecnologia de escoamento muito
eficaz.
Contudo, segundo matéria publicada
no site http://www.jusbrasil.com.br, no dia
31 de janeiro de 2007, uma das únicas
formas de se detectar a presença de
lâmina d’água na pista, se dá através de
reclamações dos comandantes das
aeronaves à torre de controle.
2.2 Sensores meteorológicos
Atualmente existem alguns tipos de
sensores meteorológicos para medir ou
detectar nível de lâmina d’água. Esses
sensores de níveis de água podem ser
classificados em dois tipos de sensores:
discretos e contínuos. Discretos, pois
fazem a mensuração do dado a partir do
momento que o nível de lâmina d’água
atinge um determinado nível, e contínuos,
pois fornecem um sinal proporcional ao
nível da água.
Na
parte
de
instrumentação
meteorológica, há uma extensa gama de
sensores tanto
presenciais quanto
remotos, para mensurar o nível de lâmina
d’água. Na parte de segurança de voo
não se encontra registro na literatura de
algum sensor que mensure entre 1 e 4
milímetros
de
lâmina
d’água
remotamente. Vale lembrar que para
segurança no momento de pouso e
decolagem o nível limite é de 4
milímetros. A maioria dos sensores de
nível de lâmina d’água trabalha da mesma
forma, porém, medindo a espessura da
lâmina encontrando a resultante da soma
da pressão da coluna d’água acima do
sensor com a pressão atmosférica.
o nível de lâmina d’água naquele
determinado momento. É utilizado na área
ambiental para mensurar níveis de poços,
represas, entre outros, por meio de um
poço tranquilizador.
Também há os sensores ultrasônicos
que,
quando
são
microprocessados,
realizam
a
compensação de temperatura, fornecendo
dados de distância com uma pequena
margem de erro.
O sistema de radar, por sua vez, é
utilizado para mensurar o nível de lâmina
d’água, enviando um pequeno pulso de
micro-ondas. Assim o transmissor tem um
repulso, e esse tempo livre até receber o
pulso refletido pela água corresponde
diretamente à distância do nível. Esse
sensor é indicado para ser utilizado em
ambientes que possam apresentar algum
risco tanto ao instrumento quanto ao
homem.
Já inseridos no mercado encontramse os sensores de sonda, que funcionam
com a variação da resistência elétrica
entre o eletrodo de referência e o eletrodo
de controle de nível.
As sondas de nível condutivo
detectam a resistência de nível quando
seus eletrodos são cobertos pelo produto.
Também são utilizadas para informar
dados de nível em poços, caixas d’água,
reservatórios de água, entre outros.
A régua linimétrica é uma forma de
mensuração de nível em rios, represas,
tanques,
reservatórios
e
microhidrelétricas. O ponto negativo deste
instrumento é que o mesmo possui uma
grande possibilidade de erro.
3. Metodologia
2.2.1 Tipos de sensores
3.1 Descrição técnica
O sensor de nível borbulhador
funciona com um minicompressor que
bombeia o ar através de um tubo de
pressão dentro da água em intervalos de
tempo já determinados. A pressão
resultante dentro do tubo corresponde
exatamente à pressão hidrostática acima
do tubo. Sendo assim, este sensor mede
O sensor proposto neste artigo é
utilizado para mensuração de nível de
lâmina d’água em quaisquer tipos de
terreno, mais precisamente em pistas de
pouso ou decolagem de aeronaves na
área de aeródromo. Este sensor possui
como características uma resistência
elétrica que é utilizada para mensurar o
dado de espessura de lâmina d’água, um
circuito elétrico com cinco resistores
associados em série, e todos com 4,7MΩ
(megaohm) com 5% de tolerância,
alimentados por uma fonte de 5 Volts.
No intervalo de cada resistor foram
adicionadas agulhas metálicas para
realizar o contato do circuito elétrico com
a lâmina d’água, possibilitando assim, a
mensuração do dado, conforme mostra a
Figura 1.
FIGURA 1 – Esquema elétrico
O sensor está disposto de tal forma
que o circuito elétrico fique totalmente
isolado, para evitar que as ações do
tempo danifiquem o instrumento.
Para uma mensuração precisa do
dado de espessura de lâmina d’água é
necessário o uso de mais de um
instrumento, pois como se trata de
segurança de voo deve-se ter uma
redundância
de
informações,
não
confiando apenas na informação de
somente um sensor.
Os
instrumentos
devem
ser
colocados na lateral da pista a uma
distância da superfície que se equipare a
altura do meio da pista, pois, para a
segurança do voo, a pista de pouso e
decolagem não é totalmente plana e
possui uma envergadura. Relativamente,
um milímetro de lâmina d’água na pista
equivale a tantos milímetros de lâmina
d’água na lateral da pista, variando de
aeródromo para aeródromo. Outra
possibilidade seria a colocação de um
instrumento no final ou no início da pista,
longe da área onde as aeronaves pousam
e decolam.
3.2 Construção e testes do protótipo
Na fase inicial da construção do
protótipo do instrumento, foi utilizada uma
matriz de contato. Na matriz de contato
foram inseridos os cinco resistores em
uma associação em série, pois com esse
tipo de associação obtêm-se um aumento
da voltagem em cada resistor à medida
que cada agulha entra em contato com a
água possibilitando a mensuração do
dado. Foram utilizados resistores com
uma alta resistência, de 4,7MΩ, com o
intuito de desprezar a resistência da água,
que varia conforme o comprimento da
área alagada.
Nos primeiros testes que foram
efetuados para verificar se o circuito
estava funcionando, foi detectado o
primeiro problema. Como a corrente do
circuito é muito baixa e como a resistência
interna do voltímetro, que é um
instrumento de medida de tensão elétrica,
gira em torno de 10MΩ, sendo muito alta,
e próxima do valor dos resistores, houve
interferência do voltímetro no circuito, e os
dados obtidos foram diferentes dos
cálculos efetuados anteriormente. Os
testes indicaram que a voltagem de um
determinado resistor com a interferência
do voltímetro era de 0,73 Volts, quando
deveria ser de 1 Volt, em uma associação
em série de 5 resistores alimentados por
uma bateria de 12 Volts, cuja tensão, ou
diferença de potencial elétrico, é
transformada em 5 Volts através do
Datalogger CR800.
Na construção do protótipo foram
utilizados os seguintes materiais: cinco
resistores de 4,7MΩ com tolerância de
5%, soldados em uma associação em
série, tampa plástica para isolar os
resistores, silicone para isolar a área onde
foi colocado o circuito elétrico, fios de
diferentes cores para diferenciar as
posições em que serão conectados no
Datalogger e a milimetragem de suas
determinadas agulhas metálicas, bobina
de fita VHS para isolar os resistores e
expor as agulhas metálicas, caixa de
acrílico com uma área de 104,04
centímetros quadrados e 3,6 centímetros
de altura para proteção geral das
intempéries do tempo, placa metálica para
fazer contato com a água para fechar o
circuito e servir de referência para o
sensor, cola quente para não penetrar
água no local onde estão armazenados os
resistores e fita isolante para unir as
peças. A figura 2 ilustra o protótipo.
FIGURA 2 – Protótipo
Já com o protótipo finalizado, foram
inseridas as resistências soldadas com os
fios de sinal de lâmina d’água, cujas
pontas foram soldadas com agulhas
metálicas que, ao tocar na água, fecham
o circuito possibilitando a mensuração
precisa no Datalogger e foi construída
uma carcaça de acrílico para proteger o
sensor de interferências externas, cujo fio
terra deste circuito é conectado em uma
placa metálica colada na carcaça de
acrílico. Em seguida, foram efetuados
mais testes, que possibilitaram a
determinação da faixa de tensão
específica para cada nível de lâmina
d’água.
3.2.1 Resultados do protótipo
Para a determinação das faixas de
tensão para cada nível de espessura de
lâmina d’água foi utilizado o Datalogger
CR800, que transforma a leitura de
tensão elétrica do circuito em algum tipo
de dado, através do programa LoggerNet.
No caso deste sensor, a espessura de
uma lâmina d’água é expressa em
milímetros. Com os dados preliminares já
determinados foram efetuados mais
testes para determinar a real faixa de
voltagem para cada situação. A tensão do
circuito sem que haja a presença de uma
lâmina d’água fica entre 0 e 1,66 Volts. A
partir do momento que a lâmina d’água
faz contato com a agulha mais próxima da
superfície se determina 1 milímetro de
espessura da mesma, que corresponde a
faixa de tensão entre 1,67 e 1,85 Volts.
Quando a lâmina entra em contato com a
segunda agulha determina 2 milímetros
entre 1,86 e 2,19 Volts, com a terceira
agulha determina 3 milímetros entre 2,2 e
2,99 Volts e com a quarta agulha
determina 4 milímetros entre 3 e 5 Volts.
Em uma associação em série de
cinco resistores de igual resistência
alimentados por uma tensão de 5 Volts, a
tensão sobre cada resistor deveria ser de
1 Volt. Isto não ocorre devido à
possibilidade
da
resistência
do
Datalogger, que forma uma associação
em paralelo com os resistores, influenciar
na tensão sobre cada resistor gerando os
valores
de
voltagem
descritos
anteriormente.
3.3 Construção e testes do projeto final
Após a construção, os testes
efetuados e os resultados obtidos com o
protótipo, teve início a construção do
projeto final com o intuito de eliminar os
erros encontrados no sensor citado no
item 3.2.
Foi feito uma nova proteção de
acrílico com uma área de 196 centímetros
quadrados e 2,9 centímetros de altura que
possui oito furos arredondados na parte
superior para o escoamento da água da
chuva que porventura possa se acumular,
com um telhado de acrílico com uma área
de 324 centímetros quadrados, que é
preso na proteção por quatro parafusos
de inox, que possibilitam a retirada do
telhado para a manutenção do circuito
elétrico. Na base da proteção foram
acopladas quatro porcas de inox em cada
canto da mesma, por onde se regula a
altura do instrumento através de
parafusos de inox, para precisar em qual
altura o instrumento deverá ficar em
relação ao meio da pista onde as
aeronaves efetuam o pouso e a
decolagem. Manteve-se a associação de
resistores em série de mesma resistência,
a placa metálica e os fios coloridos e sua
distribuição entre os resistores. A figura 3
ilustra o projeto final.
Após a conclusão dos testes, os
mesmos apresentaram uma consistência
na faixa de tensão em cada nível de
lâmina d’água, tendo como resultados que
a tensão do circuito sem que haja a
presença de uma lâmina d’água fica entre
0 e 1,67 Volts, com um milímetro de
lâmina d’água entre 1,68 e 1,84 Volts,
com 2 milímetros entre 1,85 e 2,09 Volts,
com 3 milímetros entre 2,1 e 2,99 Volts,
com 4 milímetros entre 3 e 5 Volts, com a
programação (1) disposta da seguinte
maneira:
BeginProg
Scan (5,Sec,0,0)
VoltDiff (volt,1,mV5000,1,True ,0,
_ 60Hz,1.0,0)
FIGURA 3 – Sensor de lâmina d’água
3.3.1 Programação e resultados finais
Com o projeto finalizado, mais testes
foram efetuados com o Datalogger
através de uma nova programação
customizada através dos dados de tensão
observados nesses testes.
O instrumento de leitura de tensão
elétrica,
Datalogger
CR800,
foi
programado através da ferramenta de
programação Loggernet, no qual foi
estipulado que o intervalo de execução da
mensuração do dado seja efetuado a
cada 5 segundos. Em seguida, foi
programado que o fio de sinal de lâmina
d’água e o fio de referência deste sinal
seriam conectados na entrada diferencial,
que é utilizada somente quando a
corrente elétrica for muito pequena. Neste
sensor de lâmina d’água a corrente
elétrica se estabelece na escala de µA
(microampère), pois o circuito possui uma
alta resistência com uma alimentação de
5 Volts.
milimetro = 0
If volt > 1680 Then milimetro = 1 EndIf
If volt > 1850 Then milimetro = 2 EndIf
If volt > 2100 Then milimetro = 3 EndIf
If volt > 3000 Then milimetro = 4 EndIf
(1)
4 Conclusão
Com os resultados obtidos, o sensor
proposto neste artigo mostra-se apto a
medir dados de espessura de lâmina
d’água, pré-determinados entre 0 e 4
milímetros. Seus resultados apresentaram
grande coesão nos dados mensurados,
demonstrando a eficiência do instrumento
em efetuar suas medidas.
Este instrumento pode ser utilizado
para mensurar dados de espessura de
lâmina d´água em diversas áreas de
atuação, tais como, agricultura, pecuária,
automobilismo, entre outras.
Existe ainda a possibilidade de se
acoplar um novo conjunto ao sensor,
formado por quatro LEDs (diodo emissor
de luz), onde cada um representa os
níveis entre 1 e 4 milímetros da espessura
de lâmina d’água, equipado com uma
bateria auxiliar que somente entraria em
funcionamento no momento em que a
alimentação principal fosse interrompida.
Sua utilidade seria para fins de
manutenção
no
instrumento
mensuração manual dos dados.
e
5 Referências
SANTOS, E. L. dos. Análise Histórica de
Medição de Atrito das Pistas do
Aeroporto Santos Dumont – RJ. 2004.
Graduação – Divisa de Infra-Estrutura
Aeronáutica Instituto Tecnológico de
Aeronáutica, São Jose dos Campos, SP.
ESDU, ENGINEERING SCIENCES DATA
UNIT. Frictional and Retarding Forces
on Aircraft Tyres Part 1: Introduction.
London, ano 1971, p. 40.
SILVA, CLAUDIA DOMINGUES da.
Desemborrachamento de Pista de
Aeroporto. 2006. Trabalho de conclusão
de curso – Engenharia Civil, Universidade
do Anhembi Morumbi, SP.
Comunicação Presença de Lâmina
D’água, Piloto Pista. 31 de Janeiro 2007.
Disponível em:
http://www.expressodanoticia.com.br/.
Acesso em: abr. 2009.