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UMA NOVA TECNICA DE CALCULO DE VELOCIDADE DO VENTO PARA

ANEMOMETROS ULTRASSONICOS BASEADA NA FUSAO DE DADOS ENTRE

MULTIPLOS TEMPOS DE TRANSITO E CORRELACAO CRUZADA ENTRE

ENVOLTORIAS DE RECEPCAO

Lucas de Souza Ribeiro∗, David Pereira Silva Junior∗, Maurıcio Moreira∗, Alex Lemes

Guedes∗, Jose Alexandre de Franca∗, Maria Bernadete de Morais Franca∗

∗Instituto de Tecnologa e Desenvolvimento Economico e Social - ITEDES

Av. Pres. Castelo Branco, 655, Londrina, PR, 86061-335, Brasil

Emails: [email protected], [email protected],

[email protected], [email protected], [email protected],

[email protected]

Abstract— The wind speed is important for many areas such as aviation, agriculture, construction, windenergy generation and transmission of electricity. Various technologies can be used to measure the wind velocity,with different operating principles and distinct advantages and disadvantages.In this paper, wind speed measure-ment technologies based on ultrasound were addressed. These technologies do not have moving parts and canhave good accuracy and precision, depending on the measurement technique used. Based on techniques presentedin other studies, a new technique to measure the wind speed was developed. Is expected an operational range ofhundreds of km/h. It consists of a fusion of techniques based on transit time measurement by zero crossing andby envelope detection. It showed good accuracy in the practical tests and has an enhanced energy performance.Experiments on wind tunnel were performed and the data were validated by a commercial anemometer. As aresult, the technique showed maximum deviation of 3.25 km/h and RMS error of 1.21 km/h in relation to dataobtained by the commercial anemometer for wind speed range from 0 to 37.9 km/h.

Keywords— Phase Diference (PD), ultrassonic transducer, Envelope detection, Zero crossing.

Resumo— A velocidade do vento e uma variavel importante para muitas areas, como aviacao, agricultura,construcao civil, geracao de energia eolica e transmissao de energia eletrica. Varias tecnologias podem serutilizadas para medir a velocidade do vento, com princıpios de funcionamento diferentes que apresentam vantagense desvantagens distintas. Neste trabalho, foram abordadas tecnologias de medida de velocidade do vento baseadasem ultrassom, que nao apresentam partes moveis e pode possuir boa precisao e exatidao, dependendo da tecnicade medida utilizada. Baseada em tecnicas apresentadas em outros trabalhos, foi desenvolvida uma nova tecnicapara medir a velocidade do vento. Espera-se uma faixa operacional de centenas de km/h. Ela consiste na fusaode tecnicas baseadas em medida de tempo de transito por cruzamento por zero e por deteccao de envoltoria.A tecnica apresentou boa exatidao e precisao nos testes praticos, alem de possuir um desempenho energeticoaprimorado. Foram realizados experimentos com tunel de vento, e os dados obtidos foram validados por umanemometro comercial. Como resultado, a tecnica apresentou desvio maximo de 3,25 km/h e erro RMS de 1,21km/h em relacao aos dados obtidos pelo anemometro comercial para uma faixa de velocidade do vento de 0 a37,9 km/h.

Palavras-chave— Diferenca de Fase (DF), Transdutor ultrassonico, Deteccao de envoltoria, Cruzamento porzero.

1 Introducao

O conhecimento da velocidade de ventos e degrande importancia para varias aplicacoes, den-tre elas pode-se citar a aviacao, a agricultura, aconstrucao civil, a geracao de energia eolica e atransmissao de energia eletrica. Nesta ultima apli-cacao, o conhecimento da velocidade dos ventos eimportante para a especificacao e/ou manutencaode torres e cabos de transmissao de energia, vi-sando o menor impacto quanto ao tombamentodessas estruturas.

Os equipamentos capazes de medir a veloci-dade dos ventos sao chamados de anemometros,que podem ser baseados em diferentes princıpiosde funcionamento. Dentre os anemometros eletro-nicos, os princıpios mais conhecidos sao o rotaci-onal, termoeletrico e ultrassonico.

O princıpio rotacional e baseado na velocidadeangular de um rotor que pode ser impulsionado

por uma estrutura que capta o fluxo de ar em mo-vimento (helices ou conchas) (Kristensen, 1993). Este e o anemometro mais simples e popular,entretanto possui aplicacao restrita devido a algu-mas limitacoes. Por exemplo, ele apresenta umabaixa sensibilidade a rajadas de vento de curtaduracao, devido a inercia da estrutura movel.

O anemometro baseado no princıpio termoele-trico usa a troca de calor para determinar a veloci-dade do fluido e a versao mais conhecida desse tipode anemometro e o a fio quente (Bruun, 1996).Nele, um fio condutor (sensor) e aquecido poruma determinada tecnica de excitacao e expostoem contato com o ar, onde deseja-se medir a ve-locidade do vento. A passagem do vento retiracalor deste fio e esta diminuicao de calor e con-vertida em uma grandeza eletrica, cuja medida eproporcional a velocidade do vento. Nos metodosde excitacao usados para este tipo de anemometropode-se manter uma grandeza eletrica constante

Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014

434

(tensao, corrente ou potencia) e a velocidade dovento e calculada em funcao da temperatura dofio (sensor) (Sarma, 1993). Outra forma e medira corrente eletrica necessaria para manter a tem-peratura do sensor constante, assim a velocidadedo vento e dada como uma funcao dessa corrente(Freymuth, 1967). Como vantagens desse tipo deanemometro pode-se citar seu tamanho reduzido,em comparacao com o rotacional, e sua sensibili-dade para baixas velocidades de vento. Como des-vantagens, tem-se sua fragilidade e necessidade dere-calibracoes constantes, devido a seus parame-tros serem sensıveis a partıculas de poluicao depo-sitadas no fio, o que limita seu uso em ambientesexternos e abertos.

Com o avanco da microeletronica no mundo,alguns trabalhos estao sendo realizados a fim dedesenvolver novas propostas para medicao de ve-locidade e direcao do vento baseadas em microestruturas, conhecidas como MEMS (MicroElec-troMechanical Systems). Dentre esses trabalhos,pode-se citar Wu et al. (2011), Liu et al. (2009),Du et al. (2009) e Puczylowski et al. (2011).

O anemometro ultrassonico e baseado no prin-cıpio de que o tempo que uma onda sonora emi-tida por um transmissor demora para chegar ateum receptor e dependente da velocidade de des-locamento do ar entre o transmissor e o receptor(Villanueva et al., 2009). Ao medir esse tempo,tambem chamado de tempo de transito, e possıvelcalcular a velocidade do deslocamento do ar. Paraisso, existem diferentes tecnicas de instrumenta-cao e de processamento de dados para determinaro tempo de transito, como diferenca de fase (DF),threshold-detection (TH) e tecnicas baseadas emcorrelacao de sinais (Hauptmann et al., 2001; An-dria et al., 1998; Beck, 1981). Em outro trabalho,foi desenvolvida uma tecnica baseada na fusao dastecnicas DF e TH (Villanueva et al., 2009). Atecnica DF apresenta boa exatidao e precisao, po-rem, possui uma faixa de operacao estreita, im-possibilitando o seu uso para situacoes com gran-des variacoes de velocidade do vento (Villanuevaet al., 2009). Ja a TH apresenta menor precisaoque a DF, pois fatores que causam atenuacao dosinal sonoro transmitido podem afetar o seu fun-cionamento, porem possui uma faixa operacionalmaior. As tecnicas baseadas em correlacao de si-nais apresentam menor exatidao que as tecnicasTH e DF, porem nao necessitam que o sinal so-noro seja transmitido de forma contınua durante amedicao da velocidade do vento, o que e necessarionas outras tecnicas. Isto proporciona menor con-sumo de energia. No trabalho de Villanueva et al.(2009), a fusao das tecnicas DF e TH resulta emboa exatidao e precisao, mesmo em uma faixa deoperacao maior do que a permitida para a tecnicaDF. Porem, uma desvantagem desta tecnica e queela exige a transmissao contınua do sinal sonorodurante a medicao.

A

B

d AB

X Y

Z

Figura 1: Posicionamento do par de transdutores.

Neste trabalho, e proposta uma nova tecnicaque apresenta boa exatidao, conforme os experi-mentos realizados, e que nao necessita de trans-missao contınua do sinal ultrassonico durante amedida da velocidade do vento. Isto proporcionamelhor eficiencia energetica em comparacao coma tecnica proposta por Villanueva et al. (2009). Atecnica proposta aproveita algumas caracterısticasdas tecnicas DF e TH, e utiliza um tratamento di-gital em conjunto com a correlacao cruzada de si-nais para garantir exatidao e precisao. Os resulta-dos apresentados sao preliminares, porem validama tecnica desenvolvida.

2 Fundamentos

Nesta secao serao apresentados os equacionamen-tos e as tecnicas utilizadas no desenvolvimento danova tecnica sugerida por este trabalho.

As tecnicas a seguir sao utilizadas para me-dir a velocidade do vento por meio de transmissaode ondas de ultrassom. O tempo em que a ondatransmitida demora para percorrer uma distanciafixa pelo ar varia conforme a velocidade do somatmosferico e a velocidade do vento entre o trans-missor e o receptor. Foram utilizados transdutoresde ultrassom que podem atuar como receptores outransmissores.

A Figura 1 mostra como os transdutores fo-ram posicionados neste trabalho, com uma distan-cia dAB entre eles.

Os sinais utilizados nas tecnicas descritas a se-guir estao demonstrados na Figura 2. O sinal su-perior e utilizado para acionar os transdutores deultrassom a uma frequencia de 25,3 kHz durantea transmissao. Entao, apos um tempo Tt, o sinalde ultrassom emitido chega ao outro transdutor,receptor, que transforma a onda sonora em um si-nal eletrico, conforme a curva vermelha da Figura2. Este sinal possui duas formas de informacaonecessarias para as tecnicas utilizadas. Uma delassao os tempos, representados por TABmed, em queocorrem os cruzamentos por zero volts no sinal derecepcao, detectado por um comparador que gerao sinal digital inferior da Figura 2 em azul. Ou-tra forma de informacao e a amplitude do sinalde recepcao, a envoltoria, utilizada na correlacaocruzada, explicada na Secao 2.2.


435

Tempo (ms)0 0.5 1 1.5

Tt TAB atr

TAB med

Figura 2: Sinais de acionamento, recepcao e com-paracao.

2.1 Medicao de velocidade do vento pelo cruza-

mento por zero

Ao medir o tempo entre a emissao e cada bordade subida do sinal de saıda do comparador, e pos-sıvel calcular a velocidade do vento, VAB entre otransdutor emissor e o transdutor receptor. Con-siderando que o sentido do vento seja paralelo aoeixo formado pela distancia entre os transdutoresA e B:

VAB =dAB

TABmed − TABatr

− Vsom, (1)

onde: dAB e a distancia entre os transdutores, Fi-gura 1; TABmed e o tempo entre a emissao e a ge-racao de um dos pulsos de recepcao gerados pelocomparador, por exemplo, o pulso em que ocorre omaximo da envoltoria do sinal de recepcao (Figura2); TABatr e a diferenca entre o tempo de transitodo sinal emitido e o tempo TABmed (Figura 2);Vsom e a velocidade do som.

Quando o sentido do vento nao e paralelo aoeixo entre os transdutores, podendo ser decom-posto em uma soma de dois vetores, vetor paraleloao eixo e vetor perpendicular ao eixo, a Equacao(1) nao pode ser utilizada. Para obter uma equa-cao valida, deve-se considerar a equacao expostano trabalho de Schotland (1955),

(X − VX · Tt)2+(Y − VY · Tt)

2 + (Z − VZ · Tt)2

= (VsomTt)2,

(2)

onde: X , Y e Z sao as coordenadas da posicao doreceptor em relacao ao emissor em um plano car-tesiano tridimensional; VX , VY e VZ sao os valoresdas magnitudes obtidas pela decomposicao veto-rial da velocidade do vento; Vsom e a velocidadedo som; Tt e o tempo de transito do sinal emitido,ou seja,

Tt = TABmed − TABatr. (3)

Considerando que o par de transdutores A e Blocalizam-se sobre o eixo X de um plano cartesianotridimensional, com uma distancia dAB entre eles,sendo A o emissor e B o receptor, e substituindo

(3) em (2), obtem-se apos algumas operacoes al-gebricas

VAB =dAB

TABmed − TABatr

−

√

V2som − V

2

Y − V2

Z .

(4)Essa equacao e mais generica que a Equacao (1),podendo ser utilizada mesmo quando o sentido dovento nao e paralelo ao eixo entre os transdutoresA e B. Porem, e necessario conhecer os valores deVsom, VY e VZ .

Em outro caso, quando e realizada a transmis-sao do sinal de ultrassom no sentido contrario, ouseja, quando B e emissor e A e receptor, obtem-se

VAB = −

dAB

TBAmed − TBAatr

+√

V2som − V

2

Y − V2

Z ,

(5)onde TBAmed e o tempo entre a emissao e a ge-racao de um dos pulsos de recepcao gerados pelocomparador, no sentido de B pra A, e TBAatr e adiferenca entre o tempo de transito do sinal emi-tido e o tempo TBAmed.

Ao fazer a media dos valores obtidos em (4) e(5), o resultado e

VAB = dAB

2

(

1

TABmed−TABatr−

1

TBAmed−TBAatr

)

.

(6)

Neste caso, conhecendo os valores de TABmed,TABatr, TBAmed e TBAatr, nao e necessario conhe-cer os valores de Vsom, VY e VZ para encontraro valor de VAB . Por isso, neste trabalho, paradescobrir a velocidade do vento paralelo ao eixoformado pelos transdutores A e B, sao realizadasduas transmissoes em sentidos opostos.

A Equacao (3) apresenta como e obtido o va-lor do tempo de transito. Esta variavel e depen-dente da velocidade do vento. TABatr e um valorconstante, determinado pela escolha do pulso dereferencia da saıda do comparador, neste caso, opulso que ocorre quando a envoltoria do sinal derecepcao possui valor maximo para quando nao havento, visto na Figura 2. O mesmo e valido paraTBAatr, quando e realizada a transmissao e recep-cao no sentido contrario. Para garantir exatidaoe precisao para a medida de TABmed, e estipuladoum tempo de referencia, Tref , que e o perıodo en-tre a transmissao e a ocorrencia de um dos pulsosde recepcao para velocidade do vento igual zero(Figura 3). Para as medidas seguintes, com velo-cidade do vento diferente de zero, e escolhido comopulso correto o que possuir o tempo de ocorren-cia mais proximo de Tref , que e o mesmo pulsoescolhido no passo anterior, porem deslocado (emvermelho na Figura 3).

Essa tecnica tem como desvantagem umabaixa faixa de operacao, sendo eficiente somentepara baixas velocidades de vento. Isto ocorre poiso pulso de recepcao escolhido, em condicoes ide-ais, pode deslocar somente meio perıodo de sua


436

Tempo

Tref

VREF = 0 km/h

VA > 0 km/h

VB > VA

VC < 0 km/h

VD < VC

Figura 3: Sinais de saıda do circuito de compara-cao para velocidades de vento diferentes. As bolaspretas indicam os pulsos mais proximos de Tref .Os pulsos corretos sao vermelhos. Os casos VA eVC representam casos em que nao houve erro. Jaos casos VB e VD, os pulsos errados foram escolhi-dos.

frequencia, que e igual a frequencia de aciona-mento do emissor, sem que haja deteccao erronea(casos VB e VD da Figura 3). Quando o pulso dereferencia possui um deslocamento temporal supe-rior a meio perıodo, outro pulso possui um tempode ocorrencia mais proximo do tempo estipulado,e nao o pulso correto. Neste caso, TABmed e tempototal entre a transmissao e a ocorrencia do pulsoerrado mais proximo do tempo estipulado. ComoTABatr e TBAatr possuem valores fixos, o valor cal-culado para o tempo de transito possui um erroigual ao perıodo entre os pulsos de recepcao, ouseja, para uma transmissao a uma frequencia fac,o erro e ±

1

fac.

2.2 Medicao de velocidade do vento por correla-

cao cruzada

A correlacao cruzada discreta e muito utilizadapara encontrar padroes em um vetor de numeros.Ela da como resultado um vetor com os valoresproporcionais a similaridade entre dois sinais, ecada valor deste resultado representa a somatoriados pontos resultantes da multiplicacao pontualentre os dois sinais, sendo que um destes sinaispossui um deslocamento proporcional a posicaodo resultado relacionado da correlacao cruzada.Em outras palavras, a correlacao cruzada e, pordefinicao,

(f ⋆ g)[n] =

+∞∑

m=−∞

f∗[m] · g[m+ n], (7)

onde f e g sao os sinais analisados e f∗ e o com-

plexo conjugado de f .Ao realizar a autocorrelacao, ou seja, a cor-

relacao cruzada de dois sinais iguais, e obtido umvetor com o valor maximo em n = 0, quando f eg estao em fase e possuem maxima similaridade.Porem, se um destes sinais, f ou g, sofrer um des-locamento, a correlacao cruzada entre eles apre-

sentara valor maximo para n 6= 0, deslocado nomesmo sentido do deslocamento dos sinais.

Considerando que as envoltorias dos sinais derecepcao para velocidades de vento diferentes se-jam identicas, porem defasadas no tempo devidoos diferentes tempos de transito do sinal de re-cepcao, ao realizar a correlacao cruzada entre aenvoltoria do sinal de recepcao quando a veloci-dade do vento e zero e a envoltoria do sinal derecepcao quando o valor do vento e diferente dezero, pode-se encontrar o deslocamento do sinalde recepcao provocado pelo vento, que e propor-cional a posicao em que ocorre o valor maximo dacorrelacao cruzada entre estas envoltorias,

Nmax = round((Tt − Ttzero) · famostragem), (8)

onde round() e funcao de arredondamento, Ttzero

e o tempo de transito do sinal de ultrassom entreos transdutores quando a velocidade do vento ezero, Tt e o tempo de transito do sinal ultrassonicopara uma velocidade do vento diferente de zeroe famostragem e a frequencia em que o sinal daenvoltoria foi amostrado.

Como Ttzero e um tempo constante, consi-derando Vsom constante, ao analisar o vetor ob-tido pela correlacao cruzada entre envoltorias eidentificar a posicao do elemento com maior valor(Nmax), ao realizar algumas operacoes algebricasna equacao 8, e possıvel encontrar o valor Tt apro-ximado, apresentando erro amostral devido a dis-cretizacao do sinal,

Tt ≈ Ttzero +Nmax

famostragem

. (9)

Dessa forma, como Ttzero e famostragem sao va-lores conhecidos e Nmax e obtido pela analise dacorrelacao cruzada, obtendo Tt pela Equacao (9),e possıvel calcular a velocidade do vento com aEquacao 6 e 3.

Alem do erro amostral, outro erro associadoa esta tecnica e a deformacao da envoltoria pro-vocada pelo vento (visıvel na Figura 6, Secao 4),que pode alterar a resposta da correlacao cruzada.Isso diminui a exatidao da velocidade do ventocalculada por este metodo e, por isso, nao e uti-lizada como resposta do sistema. Essa velocidadedo vento calculada e utilizada para encontrar avelocidade correta na tecnica proposta neste tra-balho.

3 Tecnica proposta para aumentar a

precisao e exatidao da medicao de

vento

Para aumentar a precisao e a exatidao das tecnicascitadas anteriormente, para uma faixa de veloci-dade do vento maior, foi desenvolvida a tecnicadescrita a seguir. Ela consiste em analisar umaserie de pares de pulsos que podem resultar no cal-culo do valor correto para a velocidade do vento


437

entre os transdutores A e B, utilizando a tecnicada Secao 2.1. Estes pares sao filtrados por regrasque devem ser satisfeitas. Dos pares remanescen-tes, e escolhido o par de pulsos cuja velocidadedo vento calculada com o uso dele possui o valormais proximo da velocidade calculada pela tecnicaapresentada na Secao 2.2. A velocidade do ventocalculada com este par de pulsos e o resultado finalda tecnica proposta. A seguir, sao apresentados osdetalhes dessas operacoes.

3.1 Analise dos pares de pulsos

Para medir a velocidade do vento com a exatidaoda tecnica apresentada na Secao 2.1, porem parauma faixa de velocidade de vento maior, sao arma-zenados os tempos dos cinco pulsos mais proximosa Tref , para transmissao de ultrassom no sentidoAB e BA, resultando em dez valores de tempo.Os cinco valores de tempo obtidos na transmissaode A pra B sao combinados com os cinco valoresobtidos pela transmissao de B pra A, em pares.Entao sao obtidos 25 pares, referentes a TABmed

e TBAmed, utilizados para calcular 25 valores develocidade de vento. Somente um desses 25 re-sultados e desejado e apresenta o valor correto davelocidade do vento. Por isso, sao utilizadas duasregras para filtrar os 25 pares de tempo obtidos:

V2

AB + V2

perp 6 V2

MAX ; (10)

Vperp ∈ R; (11)

onde Vperp e o modulo da velocidade do vento per-pendicular ao eixo AB formado pelos transduto-res, tambem definido por

Vperp =√

V2

Y + V2

Z , (12)

e VMAX e a velocidade do vento maxima que podeser medida com essa tecnica sem haver perda deprecisao e exatidao. VMAX esta relacionada aquantidade de tempo que o par de pulso corretopode deslocar sem que haja a escolha do par depulso errado, equivalente a deficiencia da tecnicacitada anteriormente, porem com um faixa de des-locamento maior.

VMAX e definida por

VMAX =dAB

dAB

Vsom−

Npulsos·fac

2

− Vsom, (13)

onde Npulsos e o numero de pulsos analisados portransmissao, que no caso deste trabalho sao cinco,e fac e a frequencia de acionamento dos transdu-tores de ultrassom.

Vperp e obtido pela combinacao das equacoes(4), (5) e (12) por meio de operacoes algebricasque resultam na equacao

Vperp =

±

√

V 2som− 1

4

(

dABTABmed−TABatr

−dAB

TBAmed−TBAatr

)

2

.

(14)

Figura 4: Tunel de vento utilizado nos experimen-tos com os anemometros.

3.2 Comparacao entre velocidades de vento

Os pares de pulsos que atendem as equacoes 10e 11 sao comparados com o resultado obtido pelacorrelacao cruzada entre a envoltoria armazenadano microcontrolador com a envoltoria de recepcaodigitalizada. Desta comparacao, a velocidade dovento obtida pelo par de pulsos que possui o valormais proximo da velocidade calculada a partir dacorrelacao cruzada e escolhida como resposta dosistema.

4 Resultados Experimentais

Para validar o sistema proposto e a tecnica de-senvolvida, foram realizados ensaios em laborato-rio. Para isso, foi utilizado um tunel de vento,desenvolvido para este trabalho, que pode ser vi-sualizado na Figura 4. O controle de velocidadedo vento e realizado pela tensao que alimenta omotor do tunel de vento, e a velocidade maximade operacao e 37, 92Km/h. Para validar os re-sultados obtidos pelo equipamento desenvolvido,foi utilizado um anemometro comercial da GillInstruments, modelo Windmaster 3D, que possuiexatidao de 1,5% para uma velocidade do vento de12m/s. O anemometro desenvolvido foi calibradopara trabalhar com uma distancia de 20 cm entreos transdutores. Os dois anemometros foram inse-ridos simultaneamente no tunel de vento duranteos experimentos.

A Figura 5 mostra os sinais provenientes docircuito desenvolvido. Os dados foram obtidoscom o auxılio de um osciloscopio. O primeiro gra-fico, (a), mostra o sinal de acionamento sobre osterminais do transdutor de ultrassom, compostopor 10 ciclos de onda quadrada com 20 V pico-a-pico. Desta forma, o sinal de ultrassom e gerado.O grafico (b) mostra o sinal de recepcao retificado(em vermelho) e o sinal de envoltoria (em azul).

E possıvel observar um atraso de fase entre a en-voltoria e o sinal retificado. Isto ocorre devido ascaracterısticas do filtro passa-baixas utilizado nodetector de envoltoria. Alem disto, e observadaa deteccao do sinal transmitido no mesmo mo-mento em que o transdutor emissor e acionado.Isto e provocado por ruıdo eletromagnetico e pelo


438

0 0.5 1 1.5−2

0

2

Tempo (ms) (b)

Ou

tpu

t (V

)

Ret

Tempo (ms) (a)

Tempo (ms) (c)

Env

0 0.5 1 1.5−20

0

20

Ou

tpu

t (V

)

0 0.5 1 1.5−5

0

5

Ou

tpu

t (V

)

Figura 5: Sinais do circuito desenvolvido: (a) sinalde acionamento; (b) sinal de recepcao retificado esinal do detector de envoltoria; (c) saıda do com-parador.

0 0.5 1 1.5

0

0

VAB = 0 km/h

VAB = 37,2 km/h

Tempo (ms)

Ten

são (

Unid

. A

rb.)

Figura 6: Sinais de recepcao para velocidades devento diferentes.

deslocamento do sinal sonoro pela armacao de alu-mınio que posiciona os dois transdutores, na quala velocidade do som e muito superior do que noar. Tambem, pode-se ver o sinal gerado pelo sinalde ultrassom que viajou pelo ar, que provoca o se-gundo aumento da amplitude do sinal de recepcao,a partir de aproximadamente 0,7 ms. O grafico (c)mostra o sinal de saıda do circuito que detecta ocruzamento por zero do sinal de recepcao.

Foi realizado um teste para demonstrar osefeitos que o sinal de recepcao sofre com o vento.Para isso, os transdutores foram posicionados comuma distancia de 80 cm entre eles para maximi-zar os efeitos. Foram realizadas duas transmissoesem velocidades de vento diferentes, 0 km/h e 37,2km/h. A Figura 6 mostra o sinal de recepcao para

cada caso. E possıvel perceber o deslocamento daenvoltoria. Alem disto, o formato das duas envol-torias sao ligeiramente diferentes, como pode servisto pela diferenca de amplitude entre as caudasdas envoltorias dos sinais, o que interfere na res-posta da correlacao cruzada.

O primeiro ensaio utilizando os anemometros

Tabela 1: Ensaio no tunel de vento.Tensao Comercial Projetado Desvio(V) (km/h) (km/h) (km/h)

0 0,31 -0,38 -0,692 4,61 4,31 -0,304 10,67 13,92 3,256 16,69 16,11 -0,588 22,25 21,95 -0,3010 28,03 27,62 -0,4112 33,00 32,74 -0,2614 37,90 37,92 0,02

0 1 2 3 4 5 6 7 80

5

10

15

20

25

30

35

40

Tempo (minutos)

Vel

ocid

ade

(km

/h)

Anemômetro projetadoAnemômetro comercial

Figura 7: Primeiro grafico comparativo entre oanemometro comercial e anemometro desenvol-vido.

comercial e desenvolvido, consistiu em aumentara velocidade do vento no tunel de vento grada-tivamente, por meio da tensao de alimentacao, earmazenar os dados colhidos pelos dois anemome-tros. Os dados obtidos estao expostos na Tabela 1.Como pode-se observar, o anemometro desenvol-vido apresentou uma resposta muito semelhante aresposta do anemometro comercial, apresentandodesvio maximo de 3,25 km/h e erro RMS de 1,21km/h. Isso mostra a viabilidade da tecnica desen-volvida e aprova a topologia do circuito utilizado.

Para comparacao grafica direta entre oanemometro comercial e o projetado, foram feitosexperimentos nos quais variou-se aleatoriamente atensao aplicada ao motor DC do tunel. A partirdos dados obtidos dos dois anemometros, obteve-se os graficos das figuras 7 e 8.

Os graficos da Figura 7 mostram uma seme-lhanca satisfatoria entre os anemometros. A curvaem azul mostra os dados obtidos com o anemome-tro do projeto, amostrada a uma taxa de 0,33 Hz,e a curva em vermelho mostra os dados do anemo-metro comercial, amostrado em 0,5 Hz. Devido asdiferencas na taxa de amostragem, pode-se obser-var uma oscilacao capturada pelo anemometro co-mercial proximo aos 5 minutos, que nao fora cap-turada pelo anemometro do projeto, sem que isto


439

0 2 4 6 8 10−10

0

10

20

30

40

Tempo (minutos)

Vel

ocid

ade

(km

/h)

Anemômetro projetadoAnemômetro comercial

Figura 8: Segundo grafico comparativo entre oanemometro comercial e anemometro desenvol-vido.

seja um problema, pois maiores taxas de amostra-gem tambem sao possıveis no anemometro proje-tado.

Para uma analise grafica mais direcionadaas comparacoes de amplitudes de velocidade,procurou-se fazer um ensaio com trechos tempo-rais mais longos em uma mesma velocidade, comomostra a Figura 8. Por observacao dos intervalostemporais nos primeiros 8 minutos dos graficos daFigura 8, percebe-se uma boa equivalencia entreas amplitudes de velocidade entre os anemometrose tambem uma resposta rapida, o que demonstrao formato de escada dos graficos. A partir dos 8minutos, variou-se mais abruptamente as tensoesaplicadas, o que causa uma maior aceleracao nasamostras. Em consequencia disso, podem ser ve-rificados desvios que tomam maiores amplitudespela falta de sincronia entre as medidas instan-taneas dos dois anemometros, sem que isso gereperda de confiabilidade. Nos trechos de maioramplitude, fica evidente que o anemometro pro-jetado detectou uma pequena diferenca nas velo-cidades, ficando um pouco abaixo das medidas docomercial. Tal aspecto tambem nao causa sur-presa, visto que o anemometro comercial tambempossui desvios tabelados pelo fabricante.

5 Conclusoes

Este artigo apresentou uma nova tecnica de pro-cessamento de dados para ser utilizada em anemo-metros ultrassonicos. Para validar a tecnica de-senvolvida, foram realizados experimentos com tu-nel de vento e um anemometro comercial paracomparacao de dados. A tecnica apresentou preci-sao e exatidao, como pode ser verificado pelos gra-ficos exibidos anteriormente. Comparando os da-dos obtidos pelo anemometro comercial e o proto-tipo desenvolvido, a nova tecnica apresentou des-vio maximo de 3,25 km/h e erro RMS de 1,21

km/h. E importante ressaltar que, apesar do sis-tema ter sido avaliado quantificando a velocidadedo vento em uma direcao, ele pode ser empregadopara o desenvolvimento de anemometros 3D. Osresultados sao preliminares. E necessario reali-zar uma avaliacao da incerteza de medicao. Alemdisto, deve-se realizar um estudo comparativo en-tre diferentes tecnicas para medicao da velocidadedo vento. Por fim, testar a tecnica em tuneis devento que produzam velocidades maiores, na or-dem de centenas de quilometros por hora, afirma-ria sua validade operacional para medir velocida-des elevadas.

Agradecimentos

Os autores agradecem a Eletrosul Centrais Eletri-cas S.A. pelo financiamento das pesquisas.

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