DESENVOLVIMENTO DE UM HIDROMETRO ELETRNICO DE BAIXO CUSTO

IVO R. FONTES, JOS A. CAGNON, FELIPE M. BASTOS, MICHEL C. MALARA, ANDR L.ANDREOLI

Laboratrio de Automao Industrial, Departamento de Engenharia Eltrica, Universidade Estadual Paulista Jlio Mesquita Filho UNESP

Caixa Postal 473, 17033-060, Bauru, SP, Brasil E-mails: ivo@feb.unesp.br, jacagnon@feb.unesp.br, fmbastos@uol.com.br,

mmalara@mail.com, andreoli.engenharia@terra.com.br

Abstract - The reduction in the world readiness of drinking water is demanding a new conscience from the population in relation to the use of that resource, indispensable for the accomplishment of the human activities and for our survival. In Brazil the auto-mation begins to be used in the basic services of drinkable water supply, with the main goal being the system efficiency and the rational use with a rigid control loss. In the specialized market, the electronic meters of water consumption are developed with technologies addressed for the industrial segment with a high cost. The objective of this work was the development of an elec-tronic hydrometer of low cost and of high reliability based in a conventional turbine type hydrometer, used in the residential and commercial segments. For the implementation of the electronic system a photo sensor EE-SY 410 was used operating as a pulse generator and sending a digital sign to a microprocessor that stores calculates the total consumption. This measuring unit also possesses communication interface RS-485/RS-232 implemented through the MODBUS RTU protocol.

Keywords Electronic Meter, Individualized Measurement, Water Supply, MODBUS, Rational Use of Water, Conservation of Water.

Resumo - A reduo na disponibilidade mundial de gua potvel vem exigindo da populao uma nova conscincia em relao utilizao desse recurso, imprescindvel para a realizao das atividades humanas e para a nossa sobrevivncia. No Brasil a auto-mao comea a ser utilizada nos servios bsicos de abastecimento de gua potvel, tendo com meta principal a eficincia do sistema e o uso racional com um rgido controle de perdas. No mercado especializado, os medidores eletrnicos de consumo de gua na sua grande maioria so desenvolvidos com tecnologias direcionadas para o segmento industrial com alto custo. O objeti-vo deste trabalho foi o desenvolvimento de um hidrmetro eletrnico de baixo custo e de alta confiabilidade tendo como base um hidrmetro convencional do tipo turbina, utilizados nos segmentos residencial e comercial. Para a implementao do sistema ele-trnico foi utilizado um foto sensor EE-SY 410, que opera como gerador de pulsos, enviando um sinal digital para um micropro-cessador que armazena e totaliza o consumo. Esta unidade medidora possui tambm interface de comunicao RS-485/RS-232 implementada atravs do protocolo MODBUS RTU.

Palavras-chaves Medidor Eletrnico, Medio Individualizada de gua, Fornecimento de gua, MODBUS, Uso Racional de gua.

1 Introduo

A crescente preocupao com a disponibilidade mundial da gua vem exigindo uma nova conscincia em relao a utilizao desse recurso. A gua um recurso imprescindvel para a realizao das ativida-des humanas e dever ser, em um futuro prximo, o recurso natural mais disputado pela maioria dos pases.

Um relatrio das Naes Unidas revela que dois teros da humanidade esto condenados a passar sede antes de 2025, se no forem adotadas medidas urgentes de melhoria de proteo e administrao dos recursos de gua doce nas zonas rurais e urbanas.

Dentre as ferramentas disponveis para que se-jam alcanados os objetivos das polticas de raciona-lizao e otimizao da utilizao da gua podem-se citar: campanhas educacionais, aplicao de novas tecnologias de medio e aplicao de legislao que tome medidas drsticas quanto conservao e oti-mizao da utilizao da gua.

Dentre as tecnologias de medio de gua dis-ponveis atualmente no mercado destacam-se os medidores eletrnicos. Esses medidores, desenvolvi-dos principalmente para o segmento industrial, so

altamente confiveis, mas apresentam um alto custo, o que dificulta sua utilizao em larga escala.

Para tanto uma das formas de conter o problema foi melhorar a aferio do consumo realizado pelos micromedidores convencionais existentes atualmen-te, visando elevar a confiabilidade e a eficincia dos mesmos, diminuindo os desperdcios causados pelas medies errneas e precariedade destes equipamen-tos. Medidores parados ou com indicaes inferiores s reais, alm da evidente perda do faturamento, elevam erroneamente os indicadores de perdas do sistema, pois apesar da gua estar sendo fornecida ao usurio, parte dela no est sendo contabilizada.

Os medidores individuais so instrumentos in-dispensveis operao de sistemas pblicos de abastecimento de gua, no s por possibilitar uma cobrana mais justa do servio prestado, mas tam-bm como fonte importante de informaes opera-cionais que sero utilizadas como base para planos de expanso e reestruturao de redes, previso de aumento de demanda e de manuteno preventiva.

Em funo destes fatores o objetivo deste traba-lho foi o de desenvolver um hidrmetro eletrnico de baixo custo e de alta confiabilidade tendo como base os medidores de vazo convencionais do tipo turbi-na, utilizados atualmente pelos setores residencial e comercial. Esta adaptao manteve intacto o lacre de

segurana do aparelho de forma a assegurar a efici-ncia de sua medio.

2 Caractersticas dos Hidrmetros Convencionais

2.1 Definio do tipo de medidor

Os micromedidores mais utilizados pelas empresas de abastecimento e distribuio de gua so os de turbina, do tipo monojato e multijato [ABNT (1992), Coelho (1996)]. A base para o funcionamento destes medidores a movimentao de uma turbina ou rotor que gira proporcionalmente vazo que o atravessa.

O medidor multijato (Fig. 1) possui uma carcaa em liga de cobre que acomoda um conjunto medidor constitudo de uma cmara de medio, uma turbina ou rotor, uma placa separadora e uma relojoaria ou totalizador. A cmara de medio destes medidores dotada de uma srie de fendas tangenciais que dire-cionam o fluxo de gua contra as ps da turbina, de modo a faz-la girar.

Figura 1. Medidor Monojato Convencional.

O medidor tipo monojato surgiu da procura de

um medidor mais compacto e simples [INMQ (1994)]. Nele a cmara de medio foi eliminada e a turbina gira sob a ao de um jato nico produzido por um orifcio usinado na entrada da prpria carca-a, permitindo concepes construtivas menores e mais econmicas.

O principal ponto positivo dos medidores tipo multijato, reside no fato de que a qualidade da medi-o quase no afetada pela carcaa, sendo definida somente pela qualidade do kit interno utilizado (Fig. 2-3 a Fig. 2-12). Como pontos negativos dos medi-dores multijato, podemos citar seu custo superior em relao aos monojatos e a grande sensibilidade montagem inclinada.

Em face do exposto, o desenvolvimento deste trabalho baseou-se no tipo de medidor monojato,

devido principalmente ao seu baixo custo, simplici-dade de manuteno e tamanho compacto. O hidr-metro utilizado o medidor residencial monojato para gua potvel fria, devido a algumas de suas caractersticas, tais como: preciso de 0,05 litro e espao suficiente em sua tampa de proteo para realizar o acoplamento do circuito eletrnico respon-svel pela aquisio de parmetros referentes ao consumo de gua.

2.2 Caractersticas construtivas do medidor

O medidor monojato utilizado do tipo extra-seco, ou seja, o indicador do totalizador isolado da gua e conectado com o trem redutor atravs de acopla-mento magntico. O movimento da turbina provoca-do pela gua desloca um im colocado no extremo da primeira engrenagem do totalizador. Com isso o medidor possui uma melhor resistncia ao desgaste provocado por partculas em suspenso na gua e, por esse motivo, passou a ser praticamente o padro em instalaes brasileiras.

Figura 2. Viso Explodida do Medidor Monojato.

O funcionamento deste medidor ocorre da se-

guinte maneira: A gua entra no equipamento pela porca de uni-

o (13), por um tubete (14), pela guarnio do tubete (20) e por um filtro (15) de proteo. A carcaa deste aparelho responsvel por pressurizar gua e sua

cmara hidrulica composta de um disco inferior montado (12), uma plaqueta montada (9) e o anel de vedao o'ring da plaqueta (10). A gua jogada contra o Rotor ou Turbina montada (11) axialmente tubulao, criando um movimento rotatrio (utiliza o princpio taquimtrico para realizar a medio). Este movimento faz girar a primeira engrenagem do totalizador por meio de um acoplamento magntico (ims presentes no rotor e na primeira engrenagem da relojoaria). Para evitar influncias magnticas externas no acoplamento magntico o medidor pos-sui um anel antimagntico (8) e um anel elstico (7) de proteo. A relojoaria montada (6), ou totalizador simplesmente, atravs de um trem de engrenagens plsticas, conta o nmero de voltas da turbina e o multiplica pelo volume cclico, apresentando no indicador o volume total de gua que passou por ele. Esta relojoaria presa ao medidor atravs de um anel de fechamento (3), uma trava do anel de fechamento (4) e um anel pressor (5). Em cima da relojoaria montada existe uma tampa protetora (1) presa por meio de um lacre (16) e de um fio de lacre (2). O aparelho ainda possui um regulador (19) protegido pelo tampo do regulador (17) e pelo oring do tampo do regulador (18).

3 Desenvolvimento do Hidrmetro Eletrnico

3.1 Definio do sensor ptico

A maioria dos hidrmetros existentes nos setores comercial e residencial possui no centro de seu visor uma roseta, que um pequeno disco girante preso s engrenagens da relojoaria montada. Este disco dividido em quatro partes iguais e as duas faces dia-metralmente opostas possuem a mesma cor (preta ou branca). Sabe-se tambm que a velocidade de rotao deste pequeno disco proporcional ao volume de gua que flui em um dado instante no medidor.

O principio deste trabalho baseou-se em contar o nmero de voltas dado pela roseta do hidrmetro atravs da utilizao de um fotosensor fixado na tampa protetora do mesmo. O fotosensor capta a variao luminosa da roseta causada pela diferena de cores e por meio de sua sada em coletor aberto, transforma esta variao em pulsos eltricos [Bogart (1993), Sedra (2000)].

O circuito integrado utilizado para aferio dos dados denominado Photomicrosensor Reflective EE-SY410, construdo pela empresa Omron, que possui em um mesmo encapsulamento um emissor e um receptor pticos. Internamente a este componente existe um schimt trigger responsvel por fornecer um sinal de sada de tima qualidade. Alm disso, o sinal de resposta deste equipamento extremamente rpi-do, o que diminui sensivelmente os erros de aferio.

3.2 Posicionamento do sensor no hidrmetro

Para que o fotosensor EE-SY410 realizasse a aferi-

o exata dos parmetros era necessrio que o mes-mo estivesse a uma distncia de no mximo cinco milmetros da roseta do hidrmetro e posicionado conforme apresentado na figura 3.

Para resolver o problema da distncia e do posi-cionamento do fotosensor foi criada uma placa de circuito impresso circular que possui exatamente o mesmo dimetro da parte interna da tampa protetora (Fig. 4). Esta placa possui tambm o posicionamento exato do fotosensor, para que o mesmo trabalhe dentro de suas condies ideais. A placa resultante foi parafusada a dois bastes de nylon fixados na tampa interna do medidor e, aps isso, o hidrmetro foi fechado e sua tampa lacrada.

Figura 4. Placa Circular para Acoplamento do Sensor.

4 Unidade Medidora

4.1 Definio da unidade medidora

A unidade medidora responsvel pela aquisio de dados do circuito integrado EE-SY410 e por contabi-lizar os pulsos provenientes do mesmo. instalada em cada construo juntamente com o hidrmetro

Figura 3. Posicionamento do Fotosensor no Hidrmetro.

eletrnico desenvolvido para possibilitar a leitura in loco da vazo de gua, j que a visualizao do dis-play do hidrmetro no estar mais acessvel (a tam-pa protetora estar lacrada para proteger o circuito do fotosensor). A unidade dotada tambm de uma interface de comunicao RS-485 que possibilita a troca de parmetros com o computador atravs da utilizao de um software supervisrio. Essa unidade medidora possui os seguintes componentes:

(01) Microcontrolador: a parte principal des-

ta unidade devido ao controle da aquisio e armaze-namento de parmetros em tempo real, contabiliza-o do consumo de gua, controle do display para a visualizao de dados e transmisso via RS-485. O circuito integrado responsvel por realizar todas essas tarefas o Atmel AT90S4433, pois atende as necessidades tcnicas dentro do prottipo proposto, por ter um baixo custo de implementao e por apre-sentar dois timers utilizados para comunicao serial (UART) e para medio de tempo.

(02) Hidrmetro Convencional: Utilizado na maioria das construes para realizar a aferio e contabilizao do consumo de gua.

(03) Fotosensor: Responsvel por transformar a rotao da roseta do hidrmetro em pulsos eltricos para a captao da vazo de gua.

(04) Display de visualizao: Os parmetros coletados pela unidade medidora sero contabiliza-dos e mostrados em um display de cristal liquido (LCD) de duas linhas e dezesseis caracteres cada (2x16). A luminosidade do display pode ser ajustada atravs do trimpot (8) mostrado na figura 5.

(05) Fonte de alimentao: Para realizar a ali-mentao do microcontrolador e demais componen-tes da unidade medidora foi utilizada uma fonte que recebe a alimentao pblica em 127 V senoidal e a

converte para +5 V contnua e regulada. (06) Rede de alimentao: Rede pblica de dis-

tribuio de energia eltrica senoidal, dotado de fase e neutro (127 V alternados).

(07) Interface para RS-485: O circuito integra-do 75LBC176 recebe os parmetros enviados pelo microcontrolador, por meio da via serial da UART, e transfere estes parmetros para a rede RS-485.

(08) RS-485: Esta rede uma derivao do pa-dro de comunicao serial EIA RS-232 Standard que proporciona uma maior imunidade a rudos ex-ternos e um maior alcance, responsvel por interligar o microcontrolador ao sistema de superviso.

(09) Sistema de superviso: Software compu-tacional responsvel por orientar o microcontrolador da unidade medidora a fazer as aquisies desejveis e por armazenar os parmetros em um banco de dados para estudo do comportamento do consumo.

4.2 Definio do protocolo de comunicao

A unidade medidora possui uma sada para rede de sinais RS-485 que est implementada com o protoco-lo MODBUS [Modicon (1996), Moraes (2001), Silveira (1998)], por meio do qual o sistema supervi-srio poder realizar as aquisies dos parmetros referentes vazo de gua consumida pelo hidrme-tro.

O MODBUS baseado em um modelo de co-municao mestre-escravo onde um nico dispositi-vo, o mestre, pode iniciar transaes denominadas queries. Os demais dispositivos da rede (escravos) respondem, suprindo os dados requisitados pelo mestre ou executando uma ao por ele comandada. Aos escravos no permitida a transmisso de dados sem que haja uma solicitao explcita do mestre e tambm no permitido aos escravos se comunica-rem entre si. No caso deste projeto, o mestre um

Figura 5. Diagrama da Unidade Medidora.

sistema supervisrio e o escravo a unidade medido-ra. Neste caso, os papis de mestre e escravo esto fixos, mas em outros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambos os papis, embora no simulta-neamente.

No nvel fsico de rede podem ser utilizados di-ferentes tipos de interface, por exemplo, RS-232 ou RS-485, sendo que a segunda, implementada a dois ou quatro fios, a mais comum.

4.3 Desenvolvimento do prottipo

O prottipo da unidade medidora, apresentado na figura 6, mostra em seu display dois itens: Cons. An. e Cons. At., referenciando respectivamente o consu-mo anterior e o consumo atual, ambos dados em m3. O consumo atual possui contagem crescente (igual utilizada em hidrmetros convencionais) e esta no pode ser zerada. J o consumo anterior voltil, ou seja, este consumo pode ser zerado o que facilita o controle do consumo por parte do usurio.

Figura 6. Prottipo da Unidade Medidora.

Na figura 7 apresenta-se o prottipo final, onde

podemos visualizar o hidrmetro convencional e o sistema eletrnico inserido no interior de sua tampa de proteo.

4.4 Calibrao do prottipo

O hidrmetro eletrnico desenvolvido foi instalado na entrada do prottipo de um edifcio para realizar os primeiros testes de aferio do consumo de gua e encontrar uma relao entre o nmero de pulsos eltricos fornecidos pelo fotosensor e a vazo de gua percorrida no mesmo. Por no existir nenhuma relao conhecida entre esses dois parmetros, o software do prottipo da unidade medidora foi ajus-tado para fornecer diretamente em seu display de visualizao o nmero de pulsos fornecidos pela sada do circuito integrado EE-SY410.

Dessa forma, com o nmero de pulsos e com o valor da vazo dado pelo hidrmetro convencional foi possvel, por meio de vrios ensaios experimen-tais, chegar a um valor timo para a relao pulsos / litro. Este valor encontrado foi inserido no software do prottipo de forma a contabilizar o valor de exato de gua aferido pelo hidrmetro convencional.

Foram realizados vrios ensaios de medio de vazo comparando o registrado pelo hidrmetro e pelo sistema eletrnico, onde obteve como resultado uma relao de 09 pulsos por decalitro de gua, sen-do ento 9P/dl de gua. O erro apresentado por este sistema foi de aproximadamente 0,091%.

5 Concluses

A operao do hidrmetro eletrnico concebido mostrou-se bastante estvel e satisfatria para a afe-rio do consumo de gua e possui inmeras vanta-gens para sua aplicao:

A relao custo benefcio apresentado por es-se sistema bastante elevada, o que possibilita a larga utilizao do mesmo;

Medio do consumo individualizado; Instalao deste sistema em qualquer medidor

convencional, desde que o mesmo apresente o disco central (roseta);

Aumento no faturamento das empresas de a-bastecimento e distribuio de gua devido baixa

Figura 7. Hidrmetro Eletrnico Desenvolvido.

perda apresentada por este sistema; Comunicao serial que possibilita a aplica-

o do sistema em edifcios residenciais para a aferi-o e controle do consumo individualizado por apar-tamento;

Acompanhamento pelo consumidor do seu consumo de gua por meio de um display in loco ou atravs da utilizao de um software de superviso, o que eleva os nveis de racionalizao da gua e pos-sibilita a deteco de possveis vazamentos;

Sistema confivel e preciso, o que evita os desperdcios causados pela precariedade dos equi-pamentos de medies;

Arquitetura simples de fcil implantao e com alta capacidade de integrao.

Uma das principais contribuies deste trabalho a possibilidade de atingir nveis timos de raciona-lizao e conservao da gua potvel, imprescind-vel para a nossa sobrevivncia, evitando assim inves-timentos desnecessrios em ampliao de infra-estruturas de abastecimento.

Agradecimentos

Os autores agradecem ao apoio dado pelo Departa-mento de Engenharia Eltrica da Universidade Esta-dual Paulista (UNESP), sem o qual no teria sido possvel o desenvolvimento deste projeto.

Referncias Bibliogrficas

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