COMPARAÇÃO DE MEDIDAS DE VENTO POR SENSOR

COMPARAÇÃO DE MEDIDAS DE VENTO POR SENSOR AERODINÂMICO (PIPA) E ANEMÔMETRO
TIPO AEROVANE
Hildo R. Quinsan Jr.
Luiz Augusto T. Machado
Gilberto Fisch
Ricardo C. Leão
Centro Técnico Aeroespacial/Instituto de Aeronáutica e Espaço/Divisão de Ciências Atmosféricas
Pç. Marechal do Ar Eduardo Gomes, n°50, São José dos Campos/SP
CEP: 12228-904, Tel.(0xx12)3474557, Fax: (0xx12)3474551
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50377-0
ABSTRACT:A low cost method is proposed for continuous measurement of the wind. This method is based on a kite,
where the tension at the tetherline and the elevation and azimuth angles are used to compute the wind vector. A
comparision is made with an independent data set collected in a mast, showing the accuracy of this method.
1.INTRODUÇÃO
Uma alternativa conveniente às torres e balões cativos, para medidas temporárias de direção e
velocidade do vento, pode ser implementada, de maneira prática e econômica, com a utilização de uma pipa comum, de
um conjunto de braços giratórios acoplados a potenciômetros, de um dinamômetro, uma bateria ou fonte de tensão
contínua e uma unidade de aquisição de dados. As pipas podem operar com ventos mais fortes que os do limite de
operação dos balões cativos. Segundo Mc Cowan et al. (1996), uma pipa de 4,0m de largura por 2,5m de comprimento
pode suportar ventos entre 10,0 e 25,0m/s. O método proposto por Balsey et al. (1998) utiliza a pipa para transportar o
sensor de vento no nível desejado, porém no presente experimento é proposta a operação isolada da pipa.
Neste conjunto cerca de 80% do custo é representado pela
unidade de aquisição de dados, enquanto a unidade de menor
custo é o próprio sensor de vento que se constitui da pipa
descartável. Ao contrário da configuração empregada com balão
cativo, neste sistema de sensoriamento por pipa, o transdutor
permanece no solo, não havendo, também, necessidade de
transmissor de radiofreqüência. A pipa não carrega nenhuma
sonda e com isto comporta-se com maior sensibilidade frente às
variações de direção e velocidade do vento. Além do custo muito
baixo a pipa tem a vantagem, sobre os balões cativos, de não
implicar em custos adicionais de operação, como é o caso das
despesas com gás para enchimento dos balões, economizando,
também, tempo para ser colocada em operação. Estas duas razões
destacam-se entre outras quando se leva em conta a ênfase atual
no binômio economia de tempo e recursos, donde a importância
deste sistema alternativo.
Utilizadas antes dos balões, desde a antigüidade, as pipas já
foram empregadas em Meteorologia, sendo posteriormente
substituídas por sistemas sofisticados, devido ao interesse de se
obter perfis extensos da atmosfera, englobando não somente
dados de vento como dados de pressão, temperatura e umidade
relativa, caso em que as radiossondagens fornecem solução mais
completa.
Fig. 1.1-Vista do TVP, pipa e Torre Anemométrica.
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Não obstante, sempre que se necessite informações de vento na região inferior da camada limite planetária, durante
experimentos em áreas desprovidas de estruturas de apoio, ou como complemento à estrutura já existente,
exemplificada por levantamentos em pontos diversos de áreas providas de torres e estações de superfície, o
sensoriamento por pipas torna-se vantajoso.
Dinamômetro
potenciômetro e indicador de elevação
Bateria ou
unidade de aquisição conversor
Fonte 12Vcc
de dados
12Vcc/5Vcc
Fig. 1.2- Transdutor de Vento para Pipa (TVP)
potenciômetro
de azimute
indicador de azimute
2.MATERIAL E MÉTODOS
A coleta de dados foi realizada no Centro de Lançamento de Alcântara (CLA), no Maranhão, em
outubro de 1998, com objetivo de comparar medidas de direção e velocidade do vento obtidas por transdutor eletromecânico conectado a sensor aerodinâmico(pipa) e medidas, obtidas simultaneamente, por sistema convencional de
anemômetros existentes em torre localizada a jusante do sensor aerodinâmico.
No experimento foi utilizada um pipa protótipo, tipo maranhão, com duas varetas horizontais e uma
vareta vertical, todas com 0,5m de comprimento feitas de bambu, cobertura comum em papel de seda e encurvamento
da vareta superior com flecha de 0,06m. Para estabilização foi fixada uma cauda de 3m de comprimento. A conexão ao
transdutor, no solo, foi feita com fio de poliamida encerado, podendo-se usar normalmente linha número 10.
.
O Transdutor de Vento para Pipa (TVP), ao qual a linha da pipa é conectada, compõem-se de uma base
formada por duas placas triangulares de alumínio, com pés formados por parafusos de nivelamento. No centro das
placas, localiza-se um tubo vertical de PVC (braço de azimute), apoiado em rolamentos, ao qual encontra-se fixado o
eixo de um potenciômetro linear de 100K ohms, cuja saída corresponde ao ângulo de azimute relativo ao giro do tubo
vertical. Na extremidade superior deste tubo encontra-se uma barra de alumínio (braço de elevação), de seção
retangular, fixada a um eixo horizontal, o qual aciona o eixo de um potenciômetro linear de 33K ohms, cuja saída
corresponde ao ângulo de elevação deste braço. No interior deste mesmo braço encontra-se um dinamômetro que é
acionado, juntamente com um potenciômetro linear de 450K ohms, pela linha da pipa, fornecendo uma saída
proporcional à força do vento.
O Transdutor de Vento para Pipa (TVP) foi orientado para o Norte Magnético e posicionado defronte à Torre
Anemométrica do CLA, cujos anemômetros tipo aerovane, marca R.M. Young modelo 05103 foram utilizados na
comparação dos dados. Os anemômetros Young fornecem a direção do vento através de um potenciômetro de 10K
ohms numa faixa de 0° a 355° (com uma faixa neutra de 5°), tendo sensibilidade em direção para velocidades do vento
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a partir de 1,1m/s, quando deslocado 10° da direção do vento. A tensão de saída correspondente à direção é diretamente
proporcional ao ângulo de azimute. A medida da velocidade do vento é feita por meio de uma hélice de quatro pás que
aciona um volante magnético com seis pólos. Este, por sua vez, induz uma tensão alternada em uma bobina. A
freqüência desse sinal é diretamente proporcional à velocidade do vento. Os sinais dos anemômetros são registrados a
cada 5 segundos, sendo calculado o valor médio a cada 10 minutos.
A Torre Anemométrica do CLA possui 6 níveis de anemômetros, de 6m (nível 1) até 70m(nível 6),
com espaçamento logarítmico, tendo sido computadas as informações dos anemômetros dos níveis 4 ( a 27m do solo) e
5(a 43m do solo), uma vez que a pipa manteve-se a uma altitude média de 31,5m.
O modelo da pipa e o comprimento da linha foram escolhidos visando que a mesma se mantivesse
estável próxima ao conjunto de anemômetros da torre, de forma a obter-se um conjunto de medidas correspondente, o
melhor possível, às condições reais de medida dos anemômetros.
Para registro dos sinais do Transdutor de Vento para Pipa foi aplicada, a partir de uma bateria
automotiva de 12 Vcc, seguida de um conversor de corrente continua, uma tensão de 5,0volts aos três potenciômetros
deste transdutor, sendo os sinais resultantes, de azimute, elevação e força, armazenados numa unidade de aquisição de
dados, marca Campbell modelo 21X, com freqüências de amostragem de 0,5Hz e 0,05Hz.
3.RESULTADOS E DISCUSSÃO
A altitude da pipa hTVP , obtida através do Transdutor de Vento para Pipa (TVP), é igual a yTVP ,
produto do comprimento da linha (somado ao comprimento da parte anterior do braço de elevação do TVP) pelo seno
do ângulo de elevação do mesmo braço, adicionando-se a este produto a altura de referência do TVP (altura do eixo
horizontal de giro do braço de elevação) em relação ao solo. Este valor difere do valor da altitude real, obtido no
experimento com auxilio de teodolito, por uma quantidade dependente da curvatura da linha ocasionada pelo peso
próprio da mesma, que origina seu encurvamento sob forma descrita pela curva catenária.
Fig. 3.1- Esquema de medida de altitude da pipa, onde pode ser observada a curvatura (catenária) do fio.
2396
Por regressão múltipla, aplicada para 81 pares das variáveis velocidade do vento, medida através de
anemômetro e força do vento sobre a pipa, obteve-se um coeficiente de correlação de 0,753. A figura 3.2 apresenta o
diagrama correspondente.
Fig. 3.2- Diagrama de espalhamento das medidas da força do vento sobre a pipa em relação à
velocidade do vento e curva de ajuste.
A figura 3.3 apresenta uma comparação entre a velocidade do vento sobre a pipa, obtida pela curva de
ajuste da figura3.2 e a velocidade correspondente obtida para o mesmo nível através dos anemômetros da torre, ambas
em função do tempo. Observa-se que as velocidades mantiveram-se no intervalo de 4,0 a 9,0m/s. A curva de
velocidade obtida pela pipa acompanha a curva de velocidade obtida pela torre com menor intensidade em 53% dos
valores. Em 25% dos pontos houve oposição de sentido com diferenças entre 0,2m/s e 1,4m/s em valor absoluto entre
as velocidades do vento obtidas pela torre e pela pipa.
Fig. 3.3- Gráfico das séries temporais das velocidades medidas através da Torre Anemométrica e do
Transdutor de Vento para Pipa.
A figura 3.4 apresenta uma comparação entre as direções do vento medidas pela pipa e pelos
anemômetros da torre em função do tempo. Observa-se que as direções mantiveram-se no intervalo de 23° a 73° A
curva de direção da pipa acompanha a curva de direção da torre com menores valores de direção em 68% dos casos.
Em 15% dos pontos houve oposição de sentido com diferenças entre 2° e 16° em valor absoluto.
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Fig. 3.4- Gráfico das séries temporais das direções do vento medidas através da Torre Anemométrica
e do Transdutor de Vento para Pipa.
As diferenças encontradas nas figuras 3.3 e 3.4 podem ser devidas a:
a)os tempos de resposta diferentes dos dois sensores, devidos às suas inércias, geometria, tipos de conexão e de
operação, entre outros fatores;
b)às médias de 10 min. de valores transmitidos a cada 20s, que não permitem verificar a resposta em tempo real, mas
servem para indicar que ambos os sistemas permitem o acompanhamento do fenômeno de maneira a caracterizá-lo para
estudos climatológicos;
c)uma possível influência da catenária na medida da força.
A tabela I fornece dados adicionais sobre os 81 pares de médias amostrados para a comparação entre
velocidades e entre direções, onde se verifica a coincidência entre as médias do conjunto(6,4m/s para as velocidades da
pipa e torre, 46,5° para a direção da pipa e 46,6° para a direção da torre). O desvio padrão manteve-se próximo tanto
para as velocidades(0,69 para a velocidade da pipa e 0,91 para a velocidade da torre), quanto para as direções(9,84 para
a direção da pipa e 8,63 para a direção da torre).
Tabela I: Comparação estatística entre as distribuições das séries de valores da velocidade
e direção do vento obtidos pela torre e pela pipa.
(valores relativos à velocidade estão em m/s e à direção em graus)
VARIÁVEIS
PIPA
– TORRE
PIPA DIREÇÃO TORRE
VARIÁVEIS
MÉDIA
VARIÂNCIA
MÍNIMO
MÁXIMO
INT. CONF.
+95%
-95%
SKEWNESS
KURTOSIS
VELOCIDADE
VELOCIDADE
DIREÇÃO
PIPA
–
VELOCIDADE
6,4
0,47
5,1
8,6
TORRE
VELOCIDADE
6,4
0,83
4,3
8,2
PIPA DIREÇÃO TORRE
DIREÇÃO
46,5
46,6
96,9
74,5
23,8
29,2
65,0
72,2
6,3
6,6
0,05
-0,06
6,2
6,6
-0,19
-0,37
44,3
48,7
-0,53
-0,33
2398
44,7
48,5
0,02
0,28
4.CONCLUSÕES
Sendo um sistema de baixo custo, onde o preço do transdutor de vento mais a pipa situa-se abaixo de R$ 500,00, o
emprego da pipa é uma alternativa conveniente para medidas de vento em que pode ocorrer perda do equipamento
(situações de ventos fortes, por exemplo), ou como um equipamento barato para a realização de medidas simultâneas
em diversos locais.
Verificou-se que os dados obtidos através da pipa acompanharam as oscilações dos valores médios correspondentes
aos anemômetros da torre. Pode-se concluir que o sistema testado tem condições de operar como sensor de vento,
devendo ser calibrado por comparação com anemômetros com tempo de resposta adequado ao tipo de medidas
desejado: anemômetros convencionais para obtenção de medidas para fins climatológicos, ou anemômetros sônicos
para medidas de turbulência atmosféricas. Obviamente os limites, quer de alcance e desempenho, quer de
durabilidade, imporão modificações no conjunto pipa/transdutor/registrador, não alterando a concepção básica de seus
componentes. Um número maior de experimentos será necessário para estabelecer a influência da catenária nas
medidas realizadas.
5.AGRADECIMENTOS
Os autores desejam agradecer a Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo(FAPESP), através do Auxílio
96/12147-9, que possibilitou a confecção e coleta de dados da pipa. Os autores L. A. T. Machado e G. Fisch agradecem
ao CNPq, por suportar estas pesquisas(bolsas produtividade em pesquisas 300692/95-1 e 300564/96-1,
respectivamente).
6.REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BALSLEY, B. B.; JENSEN, J.L.; FREHLICH, R.G. The use of state-of-the-art kites for profiling the
lower atmosphere. Boundary Layer Meteorology, 87: 1-25,1998;
FISCH, G. Características do perfil vertical do vento no Centro de Lançamento de Foguetes de
Alcântara (CLA). Revista Brasileira de Meteorologia, 14: 11 – 21, 1999;
MCGOWAN, H.; STURMAN, A. P. A kite based atmospheric sounding system. Boundary Layer
Meteorology, 77: 395 – 399, 1996.
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