Projeto de Iniciação Científica Desenvolvimento de sensor elétrico

Projeto de Iniciação Científica
Centro Universitário da FEI
Desenvolvimento de sensor elétrico para monitoramento remoto
de tempestades atmosféricas
Nome do orientador: Rosangela Barreto Biasi Gin
Nome do co_orientador: Mário Kawano
Nome do aluno: Gustavo de Oliveira Cavalheiro
Início do projeto: Fevereiro de 2010
Término do projeto: Janeiro de 2011
Duração: 12 meses
Depto: Física
Depto: Elétrica
No. 11.108.817-5
Resumo
O estudo das tempestades atmosféricas está associado à técnica empregada na medida.
Existem várias formas de se identificar uma tempestade e uma descarga atmosférica. Uma
delas é através do campo elétrico local. O estudo da forma de onda de uma descarga
atmosférica, obtida através de medidas de campo elétrico local, traz informação sobre as
características físicas do fenômeno e de sua interação com o meio. O principal objetivo
deste projeto é dar continuidade ao desenvolvimento do sensor “Field Mill” desenvolvendo
um protótipo de monitoramento remoto das tempestades. Este desenvolvimento tem como
proposta monitorar regiões de difícil acesso ou com pouca infra-estrutura.
Palavras-chave:
1. Descargas atmosféricas
2. sensores
3. campo elétrico
Objetivo e justificativa
O principal objetivo deste projeto é produzir sensores elétricos para monitoramento remoto
de tempestades. Atualmente os sensores desenvolvidos utilizam uma interface externa para
a captura dos dados. Esta interface é ligada a um computador de forma a adquirir e
armazenar as informações. Este sistema de captura e transmissão de dados exige infraestrutura local de monitoramento, nem sempre encontrada nos locais de interesse. Desta
forma, este projeto propõe desenvolver um sensor “Field Mill” com um sistema interno de
aquisição e transmissão de dados, facilitando o monitoramento das tempestades em áreas
com pouca infra-estrutura ou até mesmo em regiões de difícil acesso. A proposta de
desenvolvimento aqui apresentada, vem contribuir com a comunidade nacional e
internacional, não só no que tange ao desenvolvimento tecnológico de sensores elétricos
bem como no auxilio do monitoramento contínuo de tempestades severas.
Revisão bibliográfica
As nuvens de tempestades podem ser monitoradas através do campo elétrico local (Gin et
al, 2005). Estas tempestades apresentam fortes intensificações no campo elétrico local onde
é possível identificar suas fases de desenvolvimento. A região da grande São Paulo e
Grande ABC tem-se destacado em relação a grande ocorrência de enchentes (Pereira et al,
2005). Isto deve-se ao efeito “Ilha de calor” onde há maior aquecimento sobre as grandes
cidades. Desta forma, torna-se importante o monitoramento local destas tempestades
através da técnica de campo elétrico.
As descargas atmosféricas são fenômenos naturais que exibem grande fascínio pela sua
beleza e pelo seu poder de destruição. Grande parte da população sofre com os efeitos
diretos ou indiretos das descargas atmosféricas. Um estudo feito nos Estados Unidos e na
França mostram que cerca de 100 pessoas são atingidas por ano por descargas atmosféricas
sendo 10% destas vítimas fatais (Holle e Cooper, 2000; Gourbiere, 1999). No Brasil, ainda
não se tem esta estatística, mas estudos recentes feitos mostram que a densidade média de
descargas atmosféricas no sudeste do Brasil é cerca de 12 descargas / km2 por ano. Esta
densidade é similar a densidade da Flórida que é a região considerada na América do Norte
como a capital das descargas atmosféricas (Gin et al, 2000).
Relâmpagos são fenômenos naturais constituídos por uma sucessão descargas atmosféricas
com duração da ordem de alguns segundos As descargas podem ocorrem entre nuvens,
entre a nuvem e o solo, entre a nuvem e a ionosfera e dentro da nuvem. Este último tipo é o
que ocorre com mais freqüência.
As descargas atmosféricas que iremos identificar são descargas do tipo nuvem-solo e
descargas intranuvem. Estas descargas, são na sua maioria, descargas múltiplas de
polaridade negativa e apresentam intensidade média de corrente de 30kA (Gin et al., 2000).
A faixa de freqüência dessas descargas varia de 0,1 a 10 MHz e o campo eletrostático é da
ordem de 1 a 104 V/m (Uman, 1987). Sensores similares a bordo de balão estratosférico
identificaram relâmpagos no sudeste do Brasil na faixa de 1 a 10 kHz e campo da ordem de
alguns volts por metro (Pinto et al., 1992). A descrição básica do sensor que será
desenvolvido neste projeto está descrito a seguir.
Os sensores do tipo “Field Mill” são formados por três placas planas e paralelas. Duas
delas formam um capacitor gerando assim um sinal elétrico. A terceira placa é do tipo
obturador, ligada a um eixo girante, bloqueando momentaneamente o campo elétrico
aplicado ao sensor. A obstrução do campo elétrico em intervalos de tempo constantes induz
e repele corrente da placa sensora conforme mostra a figura 1. Utilizando um amplificador,
transformamos este fluxo de corrente em tensão proporcional ao campo elétrico.
.
(a)
(b)
Figura 1- Placa sensora (a) carregada positivamente e placa sensora obstrutora (b)
O fluxo de carga Q(t) induzida na antena identifica o comportamento do campo elétrico do
solo. A componente normal da densidade de fluxo elétrico D = ε0E requer que ε0En = Q/A
onde En é a intensidade do campo elétrico normal à superfície da antena, Q é a carga
induzida e A é a área da antena, considerando que a carga está uniformemente distribuída
pela superfície. A variação temporal do campo elétrico introduz um sinal de tensão cuja
amplitude é proporcional ao campo elétrico ambiente e assim podemos identificar os
eventos. Assim, temos:
E n = Q / Aε 0
sendo a tensão depois do circuito integrador
V =Q/C
segue então que
V = ( Aε 0 / C )E n .
A Figura 2 mostra o sensor “Field Mill” desenvolvido na FEI. O sistema mecânico é
constituído basicamente de um motor, duas hélices com oito pás e um cilindro blindado
para proteção do circuito eletrônico e sustentação mecânica. Para movimentar a hélice de
obstrução do campo elétrico, foi utilizado um motor CA de 110V.
Figura 2 – Esquema mecânico do sensor “Field Mill”
O sistema elétrico do sensor é constituído de placas sensoras, amplificadores e filtros. O
diagrama de bloco e o circuito completo é mostrado na figura 3.
Figura 3a - Diagrama de blocos do circuito utilizado.
Figura 3b. Circuito elétrico do sensor desenvolvido na FEI.
As placas sensoras geram sinais da ordem de dezenas de milivolts sendo necessário a
utilização de amplificadores do tipo inversores. Foram também utilizados amplificadores
operacionais em configuração não inversora para calibração dos sensores. A freqüência de
obstrução do campo elétrico, gera um sinal de freqüência da ordem de 420Hz. Tal sinal
apresenta um componente importante na freqüência da rede elétrica, por isso foi necessário
a utilização de filtros de quinta e oitava ordem a fim de minimizar as interferências.
Materiais e Métodos.
A proposta de desenvolvimento aqui apresentada, tem como foco criar sensores “Field
Mill” para monitoramento remoto das tempestades. Atualmente a aquisição e a transmissão
de dados é feita através de equipamentos externos, instalados próximo ao sensor. Esse
sistema de aquisição e transmissão de dados exige infra-estrutura local para manter os
equipamentos ligados na rede elétrica, o que nem sempre é viável. Assim, este projeto
propõe um sistema interno de aquisição e transferência de dados para um monitoramento
remoto em áreas de difícil acesso ou com pouca infra-estrutura de monitoramento.
Neste projeto iremos investigar os microcontroladores e transmissores responsáveis pela
automação da aquisição, armazenamento e transferência de dados. Além disso, este projeto
visa ajustar os sensores para componentes e materiais mais estáveis para atender o
monitoramento tanto em áreas urbanas como em áreas litorâneas.
O aluno tem bom conhecimento em eletrônica e se mostra bastante interessado no
desenvolvimento deste projeto. Além dos desenvolvimentos aqui apresentados, o aluno já
participa da Campanha de monitoramento contínuo de 2009-2010 e irá participar da
campanha 2010-2011 com os novos sensores desenvolvidos.
Como este projeto é inter_disciplinar, estaremos utilizando a infra-estrutura dos
departamentos de física e de elétrica da FEI.
Segue abaixo o cronograma de execução das principais atividades que serão desenvolvidas
durante este projeto.
Cronograma
Etapas \ meses
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Introdução à Eletricidade atmosférica
Introdução a sistemas de medição de
campos atmosféricos
Desenvolvimento e aperfeiçoamento dos
protótipos
Instalação e calibração de sensores
Campanha 2009-2011
Análise de desempenho dos sensores
desenvolvidos
Proposta de novas configurações
Divulgação dos resultados
Relatórios
Referências Bibliográficas
[1]Gin, R.B.B., E. A. Williams, C.A.A. Beneti and A. J. Pereira Filho, M. Jusevicius, M.
Kawano, R. Bianchi and M. Bellodi The electrical meteorological monitoring conditions
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INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON LIGHTNING PROTECTION, São Paulo,
Brazil, 2005.
[2]Pereira Filho A. J., M.T.L.Barros, R. Hallak, A. W. Gandu Enchentes na região
metropolitana de São Paulo: Aspectos de mesoescala e avaliação de impactos. XIII
CONGRESSO BRASILEIRO DE METEOROLOGIA, Fortaleza, Ceará, agosto de 2005
[3]Holle, R. L.; Cooper, M How to decrease today’s lightning disabilities. IN,
INTERNATIONAL CONFERENCE ON ATMOSPHERIC ELECTRICITY, 2000,
Guntersville, Alabama, International Conference on Atmospheric Electricity, 2000.
[4]Gourbiere,E. Lightning Injuries to humans in France. IN, INTERNATIONAL
CONFERENCE ON ATMOSPHERIC ELECTRICITY, 1999, Guntersville, Alabama,
International Conference on Atmospheric Electricity, 1999.
[5]Gin, R.B.B., C.A.A. Beneti and A. J. Pereira Filho, Cloud-to-ground lightning flash
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DETECTION CONFERENCE, Tucson, USA, 2000.
[6] Uman M. A. The Lightning Discharge. Orlando, Florida: Academic Press Inc. 1987.
377p. (International Geophysics Series Vol.39)
[7]Pinto Jr., O.; Pinto, I.R.C.A.; Gin, R.B.B.; Mendes Jr., O.; Gonzalez, W.D. A
coordinated study of a storm system over the south american continent, 1. Journal of
Geophysical Research, 97 (D16) : 18195-18204, Nov. 1992.