Projeto de Iniciação Científica Desenvolvimento de sensores “Flat

Projeto de Iniciação Científica
Centro Universitário da FEI
Desenvolvimento de sensores “Flat Plate” para monitoramento
das descargas atmosféricas
Nome do orientador: Rosangela Barreto Biasi Gin
Nome do co_orientador: Mário Kawano
Nome do aluno: Davi Medeiros
Início do projeto: Março de 2010
Término do projeto: Fevereiro de 2011
Duração: 12 meses
Depto: Física
Depto: Elétrica
No. 11.108.868-8
Resumo
O estudo das descargas atmosféricas está associado a técnica empregada nas medidas do
fenômeno. Existem várias formas de se identificar 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 monitoramento das tempestades elétricas desenvolvendo um sensor do tipo
“Flat Plate” para o monitoramento das descargas atmosféricas.
Palavras-chave:
1. Descargas atmosféricas
2. sensores Flat Plate
3. campo elétrico
Objetivo e justificativa
O principal objetivo deste projeto é produzir sensores com tecnologia nacional capaz de
identificar todas as descargas de retorno que ocorrem em um relâmpago. Dando
continuidade ao monitoramento contínuo das tempestades elétricas, deve-se neste projeto
desenvolver um protótipo do sensor tipo “Flat Plate. O sensor “Flat Plate” identifica cada
descarga de retorno que constitui um relâmpago. Os sensores desenvolvidos na FEI, sensor
“Field Mill”, identificam a ocorrência dos relâmpagos nesta região. No entanto, estes
sensores não identificam a forma de onda de todas as descargas de retorno subseqüêntes.
Assim, a proposta aqui apresentada tem como objetivo identificar com melhor resolução as
características dos relâmpagos observados nesta região.
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.
O sensor do tipo “Flat Plate” é formado por uma antena de forma plana (Flat Plate
Antenna”) conforme ilustrado na figura 1.
Figura 1- A figura mostra uma antena de chapa plana acoplada a um amplificador com
ganho de tensão unitária (figura superior) e um circuito integrador de tensão (figura
inferior).
FONTE: Uman (1987), p 347
O fluxo de carga Q(t) induzida na antena identifica o comportamento do campo elétrico do
solo. Assim, a componente normal da densidade de fluxo elétrico D = ε0E requer que ε0En
seja igual a 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, podendo assim
identificar os eventos. Segue a descrição das equações consideradas:
E n = Q / Aε 0
sendo a tensão depois do circuito integrador
V =Q/C
segue então que
V = ( Aε 0 / C )E n .
Materiais e Métodos.
A proposta de desenvolvimento aqui apresentada, tem como foco desenvolver um sensor do
tipo “Flat Plate”. Este sensor, associado aos sensores já desenvolvidos pela FEI, darão
melhor informação sobre as características elétricas dos relâmpagos que aqui ocorrem. O
sensor do tipo “Flat Plate” é um sensor para estudos científicos. Desta forma, há pouca
literatura sobre a forma de funcionamento e a descrição do circuito utilizado nestes
sensores. Assim, inicialmente deve-se levantar toda a literatura sobre o tema de forma a
obter as informações necessárias para o desenvolvimento do mesmo. Além do
desenvolvimento aqui apresentado, o aluno já participa da Campanha 2009-2010 de
monitoramento contínuo, auxiliando a manutenção dos atuais sensores e acompanhando o
desenvolvimento dos novos protótipos. O intuito desta participação é assimilar a técnica de
monitoramento de tempestades, baseado em medidas de campo elétrico, e aplicar a mesma
ao monitoramento de relâmpagos. O aluno também participará da Campanha 2010-2011
monitorando os relâmpagos através do protótipo desenvolvido.
O aluno tem bom conhecimento em eletrônica e se mostra bastante interessado no
desenvolvimento deste projeto.
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 do protótipo
Instalação e calibração de sensores
Campanha 2010 e 2011
Análise de desempenho dos sensores
desenvolvidos
Proposta de novas configurações
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
in Sào Bernardo do campo, São Paulo State: a case study. Submetido IN:
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
density of South-Southeastern of Brazil. IN: INTERNATIONAL LIGHTNING
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.