Simuladores de Direção e Velocidade do Vento B.J.K.L.1.0 LETICIA IZABEL E-mail: [email protected] JUCÉLIA LOPES E-mail: [email protected] BIANCA SCARANTO E-mail: [email protected] KELLE SOARES E-mail: [email protected] Orientador Sergio Candido E-mail: [email protected] Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina CEFET/SC. Av. Mauro Ramos, 950 centro, Florianópolis -SC CEP 88020-300 RESUMO: O projeto visa à construção de simuladores dos sensores de velocidade e direção do vento para demonstração em sala de aula, aprimorando o aprendizado sobre o funcionamento destes sensores. Para tanto usamos o princípio da eletromagnética e leis da eletrodinâmica que são empregados nos anemômetros do tipo hélice, similar ao modelo 01056 Young. Nos testes realizados com o simulador de velocidade, verificou-se a necessidade de inserir um núcleo de ferro para ampliação do sinal gerado, no simulador de direção usamos um potenciômetro linear onde não encontramos maiores dificuldades em sua montagem. Ao ligarmos os simuladores ao datalogger CR800 obtivemos o esperado que era o reconhecimento das variáveis pelo equipamento. Palavras-chaves: Vento; Simulador; DataLogger; ABSTRACT: This project aims at building simulators of wind speed and direction to be used in pedagogical demonstrations in order to optimize the student’s understanding of the functioning of such sensors. Electromagnetism and electrodynamics laws used on helicoid-shaped wind monitors similar to the 01056 Young model were applied. The tests ran with the wind speed simulator showed that a core made of iron was needed to amplify the signal. As to the wind direction simulator, a linear potentiometer was used and there were no problem regarding its mounting. The expected result was reached when the simulators were connected to the datalogger CR800, that is, the recognition of the variables by the equipment. Key-words: Wind; Simulators; Datalogger. 1 INTRODUÇÃO 2 MATERIAIS E MÉTODOS Uma estação meteorológica automática possibilita a aquisição dos dados meteorológicos automaticamente dentro de um tempo pré-estabelecido. Este sistema é composto por um conjunto de sensores, os quais medem a cada instante, as variáveis meteorológicas. Esta informação é enviada para um "DataLogger", que é a memória do sistema, o qual, com base nos valores instantâneos determina, as médias horárias dos elementos meteorológicos medidos. Estes dados ficam armazenados no "DataLogger", até serem exportados por via telefônica , através de um computador portátil, comunicação por satélite ou outra forma conveniente de comunicação. Com este trabalho desenvolvemos dois simuladores, utilizamos como base dois sensores utilizados nas estações automáticas o de velocidade e o de direção do vento. A escolha destes sensores deve-se ao interesse dos autores deste projeto pelo seu funcionamento, porém por motivos de custo optou-se pela construção de um simulador dos sensores em questão. Pesquisas realizadas mostraram a existência de um simulador de sistema vento rotor, (MONTAGEM EXPERIMENTAL) possuindo o mesmo princípio de funcionamento, desenvolvido por este trabalho, onde mostra um motor de corrente contínua, controlado através de um microcomputador. Ao contrário do simulador apresentado anteriormente, embora usando o mesmo princípio de funcionamento, este trabalho tem como objetivo construir simuladores dos sensores de velocidade e direção do vento, conectando-os diretamente ao datalogger. Proporcionando um instrumento portátil, de fácil manutenção, e robustez. Este simulador será utilizado para fins didáticos que se integrará como componente de um Kit, aos demais simuladores construídos pelos alunos do curso de Técnico em Meteorologia. Sendo um instrumento de fácil manuseio e manutenção para futuramente ser utilizado em sala de aula. A construção do simulador de vento seguiu os princípios das leis da eletrodinâmica e eletromagnética. O simulador de velocidade do vento baseia-se na Lei de Faraday, sobre eletromagnetismo. Onde se observa que uma bobina ao ser cortada por linhas de força de um campo magnético faz aparecer, por indução, uma diferença de potencial (ddp) em seus terminais. Para tanto construímos um disco com material isolante e dispomos três imãs sobre o mesmo formando um rotor com seis pólos. O rotor será movimentado por um motor de corrente contínua (cc) que facilita o controle da rotação, simulando a variação da velocidade do vento sobre o sensor. Na construção da bobina usamos 400 espiras de condutor de cobre esmaltado com bitola 36 AWG. Esta bobina foi instalada próxima ao rotor, o suficiente para estabelecer a variação do campo magnético sobre a mesma. Testes realizados em laboratório com o auxilio de um osciloscópio nos mostrou que o sinal gerado era alternado e variava em amplitude (tensão) e comprimento de onda (freqüência) conforme a variação da velocidade do motor. A alternância do sinal se dava em virtude da influencia dos pólos norte e sul gerando sinais de freqüência, esses sinais são enviados para a leitura no datalogger. Para melhor visualização do sinal gerado observe a (Figura1). Figura 1 - Gráfico de freqüência gerada pela a rotação dos ímãs em frente à bobina. O sinal recebido pelo DataLogger é a freqüência do sinal que é determinada pelo ângulo θ da hélice do anemômetro (Figura2), θ Então: Figura 2: Hélice usado no anemômetro. A freqüência do sensor é determinador pelo movimento de revoluções do rotor (Mv), pelo numero de pólos( P) dividido pelo tempo ( t). (Equação 1) F=Mv.P t (1) F= Dp. p. P cos θ consideramos que Dp= 1 m Então: F = 1.p .P cos θ Então a freqüência do equipamento será terminada pela a seguinte equação: Sendo : Mv = rpm t=s F= Hz F = p .P cos θ Se considerarmos do tempo seja de 1 segundo (Equação 2), teremos que a freqüência é igual movimento de revoluções do rotor(Mv) pelo número de pólos( P). (Equação 3) F=Mv.P 1 (2) F= Mv.P (3) n Ф Dp Sabemos que Mv é determinado número de rotações (n) e inversamente proporcional ao perímetro (p). (Equação 4 ) Mv = n p (4) Então a freqüência é igual a número de rotação (n) e número de pólos(P) inversamente proporcional ao perímetro (p).(Equação 5) F = n .P p (5) O número de rotação é determinador pelo espaço percorrido das partícula de ar (Dp) que inversamente proporcional ao co-seno do ângulo da hélice (cos θ) .(Equação 6 ) n = Dp cos θ (6) Figura 3: Relação entre o ângulo da hélice com o numero de rotações do hélice. A Freqüência gerada pelo sensor é determinada pelo (cos ө) ângulo da hélice que é inversamente proporcional ao perímetro da hélice, multiplicado pelo numero de pólos. O simulador de direção do vento tem como base a 1° Lei de Ohm, aonde descreve que a corrente elétrica que percorre um circuito é diretamente proporcional à tensão aplicada e inversamente proporcional a resistividade da carga. A direção do vento utiliza um circuito em série composto de um resistor fixo com objetivo de evitar um curto e um resistor variável (potenciômetro) que envia sinais distintos para leitura do datalogger. Esses sinais variam de acordo com a variação da resistência que depende do posicionamento da grimpa (catavento) apresentando variações de tensão determinando a direção do vento segundo a programação no datalogger. 3 CIRCUITO E CONSTRUÇÃO Os simuladores de direção e velocidade do vento foram construídos baseando-se nos princípios da eletrodinâmica e do eletromagnetismo. No simulador de velocidade, foi construída uma bobina com 400 espirais (Figura 4) e uma placa com 3 imãs de HD que contém seis pólos (Figura 5), segundo o modelo 05106 Wind Speed & Direction sensor Young. A conexão do sensor é ligado no “DataLogger” (Figura 6), uma na entrada terra ( ) e outra na entrada de sinal pulso (P1) . Tratando-se de um simulador usamos um motor de cc 12V/40mA que propicia um fácil controle de velocidade aproximando ao comportamento do vento. Para obter este controle alimentamos com 12V e variamos a corrente no circuito usando um potenciômetro de 1K Ω. Para administrar a tensão sobre ele e sendo assim controlando a rotação e freqüência do instrumento. (Figura 7) Figura 7: Circuito para controle da tensão sobre o motor. O simulador foi construído em uma caixa para circuito como mostra a figura 8. Figura 4: Bobina do sensor. Figura 8: Simulador em Velocidade do Vento. Figura 5: Placa com imãs de HD. Figura 6: Circuito do sensor de velocidade do vento. No simulador de direção nos baseamos na 1° lei de Ohm, foi construído um circuito simples em série com potenciômetro linear 10kΩ e um resistor 1KΩ. O circuito é alimentado com 2500 mV que será cedida pelo datalogger (figura 9 e 10). O ponto máximo de leitura do sensor é de 11KΩ e mínimo é 1KΩ, então a cada 0,0305 KΩ de tensão varia 1° na direção do vento. Sua conexão no “DataLogger” uma é na entrada de alimentação(EX1), outra na entrada Analógica simples(SE1), e outra na entrada . Figura 9: Circuito do sensor de direção do vento. Figura 11: DataLogger CR800. Figura 10: Simulador de direção do vento Na conexão dos simuladores de direção e velocidade do vento junto ao “DataLogger CR800” tem a seguinte comandos da tabela 1. 1-Tabela de conexão do simulador de velocidade e direção do vento BJKL 1.0 Cor Descrição CR800 Sinal da velocidade vermelho do Vento P1 Sinal de referência da Preto velocidade do vento Sinal da direção do Verde vento SE1 Sinal de alimentação do simulador de Branco direção do vento EX1 Sinal de referência da Azul direção do vento Figura 12: Teste realizado no simulador de direção do vento. Figura 13: Teste realizado no simulador de velocidade do vento. 4 TESTES E RESULTADOS No simulador de direção e velocidade de vento foram realizados teste no “DataLogger CR800” (Figura 11, 12 e 13), baseado no anemômetro 05106 Wind Speed & Direction sensor Young, utilizamos a programação Short Cut (Figura 14) observamos que a resposta dos simuladores estavam dentro do esperado, ou seja semelhante aos sensores usados como base. Figura 14: Programa Short Cut. No simulador de direção, por possuir o mesmo valor de tensão que o modelo usado, obteve-se valores idênticos de tensão no simulador. No simulador de velocidade do vento foram usados imãs de HD, foi preciso fazer um ajuste, inserindo um núcleo de ferro no meio da bobina (Figura 15) para aumentar a amplitude da senóide do sinal (Figura 16) para alcançar o valor desejado no ato da leitura no “DataLogger”. Constatou-se que dependendo do posicionamento da bobina em relação aos imãs (Figura 17) obteve-se valores distintos de velocidade máxima, ou seja, quanto mais próximo a bobina em relação aos ímãs os valores de velocidade são maiores e quanto mais distantes os valores de velocidade são menores. Figura 15: Teste realizado inserindo um alicate para representar um núcleo de ferro. Figura 16: Teste realizado para localizar a posição da bobina em relação aos ímas. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS Fundamentados nos princípios físicos já citados alcançamos os resultados positivos dentro do proposto, ocorrendo um aprendizado pessoal para cada integrante sobre os assuntos apresentado com este estudo. Os simuladores foram construídos na prática, com uma concepção de um instrumento portátil, robusta, fácil manuseio e baixo de custo facilitando a integração a um a kit desenvolvido no curso técnico de meteorologia e para que os interessados tenham um maior entendimento. Este será utilizado como material didático para aprimorar o desenvolvimento e competência profissional dos alunos do curso técnico de meteorologia. Os autores deste projeto fazem um agradecimento á todos os que colaboraram para o sucesso e crescimento pessoal e profissional dos autores deste artigo. 6 REFERÊNCIA Figura 16: Representação da senóide em um osciloscópio. ABREU, M.; MARCANTE, R.; CHEREM, L. F. S. Movimento na atmosfera. Tópicos em meio ambiente e ciências atmosféricas: utilização de recursos multimídia para o ensino médio e fundamental. Cachoeira Paulista: Mamute Mídia, 2006. p. 11. ISBN 85-1700024-2. (INPE--/). Disponível em: <http://urlib.net/sid.inpe.br/iris@1915/2005/11. 08.12.28>. Acesso em: 05 mar. 2008 BENDER, A; SBARDELOTTO, D; MAGNO, W. Usando motores DC em experimentos de física. Disponível em: <http://www.scielo.br/pdf/rbef/v26n4/a15v26n4 .pdf>. Acesso em: 05 mar. 2008. BROCK,F,V. Sistemas Hidrologia. 18 Dez 2003. de Medição em MONTAGEM EXPERIMENTAL Disponível em: http://www.zanotel.com.br/~volmar/utilt/capit6.pdf. Acesso em: 31 mar. 2008. NASCIMENTO, Fellype do. “Aplicações da lei de Faraday à construção de um anemômetro”. Disponível em : <RFhttp://www.ifi.unicamp.br/~lunazzi/F530_F 590_F690_F809_F895/F809/F809_sem1_2006/ Fellype_Lisandro-RF.pdf>. Acesso em 05 mar. 2008.