universidade federal do rio grande do norte ......o vento é uma variável importante para o estudo...

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NATAL-RN SETEMBRO /2014 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA Programa de Pós-graduação em Ciências Climáticas ANEMÔMETRO ULTRASSÔNICO BASEADO EM SENSOR DE DISTÂNCIA ALESSANDRO DIONISIO DA SILVA

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NATAL-RN

SETEMBRO /2014

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA

Programa de Pós-graduação em Ciências Climáticas

ANEMÔMETRO ULTRASSÔNICO BASEADO EM SENSOR DE

DISTÂNCIA

ALESSANDRO DIONISIO DA SILVA

ANEMÔMETRO ULTRASSÔNICO BASEADO EM SENSOR

DE DISTÂNCIA

ALESSANDRO DIONISIO DA SILVA

Orientador: Prof.Dr. Carlos Chesman de Araújo Feitosa

Coorientador: Prof.Dr. Alexandre Barbosa de Oliveira

COMISSÃO EXAMINADORA

Prof.Dr. José Humberto de Araújo (UFRN)

Prof.Dr. Charlie Salvador Gonçalves (UFPE)

Dissertação de Mestrado submetida á

Coordenação do Programa de Pós-

Graduação em Ciências Climáticas, do

Centro de Ciências Exatas e da Terra da

Universidade Federal do Rio Grande do

Norte como parte dos requisitos para

obtenção do título de Mestre em Ciências

Climáticas.

NATAL-RN

SETEMBRO /2014

Dedicatória

A Deus;

A minha mãe Maria Cícera da Silva, pela educação e formação de caráter que meu deu.

A meus familiares;

A minha noiva Deyzianne dos Santos Fonseca pelo apoio e incentivo;

A meus amigos;

Aos colegas de laboratório;

Aos professores Alexandre Barbosa de Oliveira e Carlos Chesman de Araújo Feitosa pelos

ensinamentos durante o trabalho.

Agradecimentos

A Deus por me dar forças para chegar até aqui.

Aos professores Alexandre Barbosa de Oliveira e Carlos Chesman de Araújo Feitosa.

Aos colegas de laboratório Abner Carlos e Gustavo.

Ao técnico de laboratório Ricardo.

A todos que ajudaram a concluir mais esta etapa em minha vida.

RESUMO

Neste trabalho propomos o desenvolvimento de um anemômetro ultrassônico utilizando

sensores de distância. A velocidade do vento é uma variável meteorológica importante para o

estudo da dinâmica da atmosfera, mudanças no clima e plantações agrícolas. Com isso se faz

necessário avanços em estudos que possibilitem cada vez mais a caracterização do

comportamento do vento. Atualmente existem diversos tipos de anemômetros para medir

velocidade do vento, entre os quais se destaca o anemômetro ultrassônico devido à precisão

nas medidas. Porém este dispositivo possui um alto custo dificultando a utilização do mesmo.

Sendo assim, buscamos baixar o custo do anemômetro ultrassônico, desenvolvendo um

aparelho capaz de medir a velocidade do vento, utilizando sensores de distância. Neste tipo de

anemômetro a velocidade do vento é aferida com base no tempo de trânsito do pulso

ultrassônico, mesma técnica presente nos sensores de distância para medidas de espaço. Aqui

foram feitas diversas montagens buscando a melhor configuração a qual pudéssemos utilizar o

sensor de distância para mensurar a velocidade do vento. Arranjos com anteparo e

transdutores separados são exemplos, de montagens trabalhadas que serão detalhadas no

capítulo 3. Com as medidas coletadas (sem e com vento) foram gerados histogramas, que

mostram a distribuição dos registros de tempo de trânsito da onda sonora para cada caso.

Duas das configurações estudadas apontam resultados favoráveis quanto ao uso do sensor de

distância na medida da velocidade do vento.

Palavras-Chave: Som; Transdutores; Ondas

ABSTRACT

In this work we propose the development of an ultrasonic anemometer using distance sensors.

The wind is an important tool for studying the dynamics of the atmosphere, changes in

climate and agricultural crops meteorological variable. Thus it is necessary advances in

studies that provide increasingly characterizing the behavior of the wind. Currently there are

several types of anemometers to measure wind speed, among which stands out due to the

ultrasonic anemometer accuracy in measurements. But this device has a high cost difficult to

use. Therefore, we sought to lower the cost of the ultrasonic anemometer, developing an

apparatus capable of measuring wind velocity using distance sensors. In this type of

anemometer wind speed is measured based on the transit time of the ultrasonic pulse, in this

same distance sensors to space technique measures. Here various assemblies seeking the best

configuration which could use the distance sensor to measure wind speed were made.

Arrangements bulkhead and separate transducers are examples of worked assemblies that will

be detailed in chapter 3. With the measures collected (with and without wind) histograms,

which show the distribution of records transit time of the sound wave for each case were

generated. Two of the studied configurations show favorable results regarding the use of the

distance sensor as the wind speed.

Key-words: Sound; Transducer ; Wave

7

SUMÁRIO

CAPÍTULO – 1 INTRODUÇÃO ............................................................................................ 11

1.1– Hipótese ...................................................................................................................... 12

1.2 – Objetivo Geral ............................................................................................................ 12

1.3 – Objetivo Específico .................................................................................................... 12

CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................... 13

2.1 - Tipos de anemômetros ................................................................................................ 13

2.1.1 - Anemômetro de rotação ........................................................................................ 13

2.1.2 - Anemômetro termoelétrico ................................................................................... 14

2.1.3 - Tubo de Pitot ........................................................................................................ 14

2.1.4- Anemômetro a laser............................................................................................... 16

2.1.5 - Anemômetro ultrassônico ..................................................................................... 17

2.2 - Propriedades das ondas sonoras ............................................................................... 18

2.2.1 - Velocidade de propagação do som ....................................................................... 18

2.2.2 - Influência do vento na propagação da onda sonora. ............................................... 21

2.2.3 - Geração de ultrassom no anemômetro. .................................................................. 22

2.2.4 – Configuração dos transdutores no anemômetro ultrassônico. ................................ 22

2.3 – Métodos de operação do anemômetro ultrassónico. ..................................................... 25

2.3.1 – Operação por tempo de trânsito. ........................................................................... 25

2.4 - Técnicas para estimação do tempo de trânsito do pulso ultrassônico. ........................... 25

2.4.1 – Método da diferença de fase. ................................................................................ 26

2.4.2 - Método de limiar de tensão. .................................................................................. 26

2.4.3 – Método da correlação cruzada. ............................................................................ 28

CAPÍTULO 3 – MATERIAS E PROCEDIMENTOS .............................................................. 30

3.1- Montagens com o sensor HC-SR04 .............................................................................. 31

3.2 – Montagens com o sensor LV-Maxsonar-EZOTM

.......................................................... 32

3.3 – Coleta de dados .......................................................................................................... 33

CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES .................................................................. 35

4.1 – Montagem com anteparo ............................................................................................ 35

4.2 – Montagem com sensores colocados um de frente ao outro. .......................................... 39

4.3 – Montagem com transdutores separados ....................................................................... 40

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃO ............................................................................................... 53

5.1 Montagens..................................................................................................................... 53

CAPÍTULO 6 - PESPECTIVAS ............................................................................................. 55

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 56

8

LISTA DE FIGURAS

Figura 2 – Fotografia de um anemômetro de conchas com um dispositivo acoplado para medida da

direção do vento. ..................................................................................................................... 13

Figura 1 – Fotografia de um anemômetro digital de rotação, portátil com hélices. .................... 13

Figura 3 – Fotografia do anemômetro termoelétrico e zoom do elemento sensor de fio quente. 14

Figura 4 – Ilustração de um tubo de Pitot, onde é medida no ponto (A) a pressão estática e no ponto

(B) a pressão de estagnação, por meio da variação na altura (h) da coluna do líquido ilustrado de cor

preta (HALLIDAY,2002). ...................................................................................................... 15

Figura 5 – Fotografia de um anemômetro digital portátil com tubo de Pitot ............................. 15

Figura 7 – Fotografia da parte superior de um anemômetro ultrassônico composto por quatro

transdutores distantes 20cm um do outro. ................................................................................ 17

Figura 8 - Ilustração da propagação do som no ar ................................................................... 18

Força do elemento não perturbado ........................................................................................... 19

Força de compressão ............................................................................................................... 19

Figura 9a – Ilustração de um pulso de pressão se deslocando em direção a um elemento de ar não

perturbado............................................................................................................................... 19

Figura 9b – Ilustração de elemento de ar comprimido. ............................................................. 19

Figura 10 a – Ilustração de onda sonora se propagando no mesmo sentido do vento. ................ 21

Figura 10 b – Ilustração de onda sonora se propagando em sentido oposto ao vento. ................ 21

Figura 11b - Ilustração de vetores de velocidade das partículas do meio. ................................. 23

Figura 11a – Configuração de transdutores .............................................................................. 23

Figura 12 – Ilustração de transdutores funcionando como emissor e receptor. .......................... 24

Figura 13 – Ilustração do sinal emitido e recebido ................................................................... 27

Figura 14 – Ilustração do método de limiar de tensão .............................................................. 28

Figura 16 – Fotografia do sensor de distância HC-SR04, contendo dois transdutores, um oscilador de

cristal e a placa de circuito. ..................................................................................................... 30

Figura 17 – Ilustração do sensor de distância LV – Maxsonar-EZOTM

, onde podemos visualizar um

transdutor e a placa de circuito. ............................................................................................... 31

Figura 18 – Ilustração de montagem com anteparo .................................................................. 31

Figura 19- Ilustração de arranjo de sensores (HC-SR04) em lados opostos .............................. 32

Figura 21 – Arduino UNO (www.arduino.cc) .......................................................................... 33

Figura 22 – Arduino Nano (www.arduino.cc) .......................................................................... 34

Figura 23 – Ilustração da arduino Mega 2560 .......................................................................... 34

Figura 24- Histogramas de tempo de trânsito com o ventilador ligado e desligado ................... 36

Figura 25. Histogramas mostrando distribuições semelhantes para medidas diferentes. ............ 36

Figura 26 - Gráfico mostrando a diferença entre os tempos e a velocidade do vento. ................ 37

Figura 27 – Histogramas gerados a partir dos dados obtidos com anteparo de 3 cm de diâmetro.38

Figura 28 - Histogramas gerados a partir dos dados coletados com 10 cm de separação entre o sensor e

o anteparo de 3 cm de diâmetro. ............................................................................................. 39

9

Figura 29 – Ilustração dos sensores colocados um de frente ao outro ....................................... 39

Figura 30 b – Sensor HC –SR04 com os transdutores separados .............................................. 40

Figura 30 a – Sensor HC –SR04 .............................................................................................. 40

Figura 31 – Montagem com transdutores separados. ................................................................ 40

Figura 32 – Histogramas gerados com dados de tempo coletados com os transdutores separados.41

Figura 33a- Histograma gerado a partir de dados coletados com os transdutores separados da placa de

circuito do sensor – Sem vento. ............................................................................................... 42

Figura 33b- Histograma gerado a partir de dados coletados com os transdutores separados da placa de

circuito do sensor – vento no mesmo sentido de propagação da onda. ...................................... 42

Figura 33c- Histograma gerado a partir de dados coletados com os transdutores separados da placa de

circuito do sensor – vento em sentido contrário ao sentido de propagação da onda. .................. 43

Figura 34 – Ilustração de transdutores funcionando ora como emissor ora como receptor. ....... 43

Figura 35 – Chave analógica usada para permutar a configuração dos transdutores .................. 43

Figura 37 – Esquema de permuta usando chave analógica CD4066B ....................................... 45

Figura 38 – Ilustração de mini relés 5V ................................................................................... 46

Figura 39 – Circuito integrado ULN2004 ................................................................................ 46

Figura 40 – Esquema do circuito com relés. ............................................................................ 47

Figura 41 – Histogramas mostrando os registros de tempo sem vento para transdutores separados

............................................................................................................................................... 48

Figura 42 – Módulo relé usado para comutar os transdutores ................................................... 48

Figura 43 – Histogramas mostrando os registros de tempo com vento para os transdutores separados.

............................................................................................................................................... 49

Figura 44 – Ilustração da configuração dos transdutores com ângulo de 60º. ............................ 49

Figura 45 – Anemômetro de rotação AD -145 ......................................................................... 50

Figura 46 – Gráfico mostrado a relação entre o comercial e experimental.

No gráfico constam três medidas para cada ponto (velocidade). ............................................... 51

Figura 47 – Gráfico mostrando tempo de trânsito (tvolta) da onda sonora em função da velocidade do

vento. ...................................................................................................................................... 52

10

LISTA DE TABELAS

Tabela 1- Valores de velocidade do vento convertidos em ...................... 54

LISTA DE SÍMBOLOS

LDA – Laser doppler anemometer

LIDAR – Light detection and ranging

Tx – Emissor

Rx – Recptor

- Massa especifica

B – Módulo de elasticidade volumétrica

L1 – Comprimento de um elemento de ar

p –Variação de pressão

P1 – Pressão inicial de um elemento de ar

F – Força

L – Variação de comprimento

M – Massa molar

– Velocidade do som no ar

– Velocidade da onda sonora

– Velocidade do vento

tida – Tempo de ida

tvolta – Tempo de volta

Ø – Diferença de fase

f – Frequência da onda sonora

- Componente da velocidade do vento paralela ao eixo entre os transdutores.

T – Diferênça entre os tempos de trânsito

11

CAPÍTULO – 1 INTRODUÇÃO

O vento é uma variável importante para o estudo do clima, agricultura e regiões propícias

à implantação de energia eólica. Mapear os fluxos de vento é estritamente relevante para

alimentar os modelos de previsão na meteorologia. Já na agricultura, o vento é uma variável

que pode modificar o crescimento, reprodução e distribuição de plantações no campo

(KOYAMA, 2009). Conhecer bem a velocidade e a direção do vento de uma região é um dos

primeiros passos para a instalação de torres eólicas. Sendo assim, é necessário cada vez mais

avanços em técnicas e equipamentos utilizados para caracterizar a dinâmica dos ventos.

Um aparelho utilizado no estudo dos ventos é o anemômetro, dispositivo que mensura a

velocidade do vento. Alguns são capazes de medir não só a velocidade, mas também sua

direção e sentido. Atribui-se a invenção do anemômetro ao italiano Leon Battista Albert em

1450. O dispositivo da época consistia de um disco disposto perpendicular à direção do vento.

Era possível inferir a velocidade do vento quando este passasse pelo disco causando um

aumento em sua inclinação. Hoje existem os mais variados tipos de anemômetros (de rotação,

termoelétrico, com tubo de Pitot, ultrassônico, etc). Porém, muitos apresentam limitações que

restringem seu uso, dependendo das condições climáticas, como temperatura e umidade ou do

desgaste que as partes mecânicas apresentam durante seu uso. O anemômetro ultrassônico

apresenta algumas propriedades que o coloca em vantagem em relação aos outros modelos,

tais como:

- Ausência de partes móveis. Com isso não há demanda em manutenção constante;

- Estrutura física robusta. Por isso pode ser usado em ambientes turbulentos e

sujeito a intempéries.

- Não obstrui a passagem do fluido. Assim, pode ser utilizado não só para medir a

velocidade do vento, mas também de vários outros fluidos.

No entanto, seu alto custo dificulta a sua aplicação. Este projeto tem como objetivo

propor um anemômetro ultrassônico de baixo custo baseado no uso do sensor ultrassônico de

distância. Além disso, o estudo do princípio de funcionamento do anemômetro ultrassônico

será abordado e como medidas de tempo de trânsito de pulsos sonoros podem ser usadas para

medir a velocidade dos fluidos.

A medição da velocidade de fluido usando sensores ultrassônicos é fundamentada na

determinação do tempo de trânsito (tempo de propagação da onda sonora entre um transdutor

emissor e um receptor). Este se modifica devido à variação da velocidade do meio provocada

12

pelo fluxo de fluido (ALMEIDA, 2004). Geralmente este tipo de anemômetro possui

transdutores que emitem um pulso ou trem de pulsos de ondas sonoras com frequência de 40

kHz. A opção de se fazer o estudo com base na utilização de sensores de distância

ultrassônicos deriva das características apresentadas por alguns sensores de distância. Elas são

bem semelhantes a dos transdutores encontrados nos anemômetros ultrassônicos. Os sensores

de distância modelo HC-SR04 e LV-Maxsonar-EZO, utilizados nesse trabalho emitem pulsos

ultrassônicos com frequência de 40 kHz. A medida da distância é efetuada a partir do tempo

de trânsito do pulso sonoro, mesmo método presente nos anemômetros ultrassônicos para

mensurar velocidade de vento.

1.1 – Hipótese

A hipótese de que os sensores de distância ultrassônicos de baixo custo podem ser

utilizados na montagem de um anemômetro ultrassônico, abre a perspectiva de que é possível

reduzir o custo do anemômetro. Isso facilita o uso do anemômetro ultrassônico permitindo

avanços nos estudos do vento.

1.2 – Objetivo Geral

Abrir perspectivas para reduzir o custo do anemômetro ultrassônico facilitando a

aquisição do mesmo.

1.3 – Objetivo Específico

Verificar a utilização de sensores de distância na medida da velocidade do vento.

13

CAPÍTULO 2 - FUNDAMENTAÇÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo são apresentados os principais equipamentos encontrados no mercado para

medir velocidade dos ventos e também é feita uma visão geral das propriedades sonoras com

foco no ultrassom, destaque dessa dissertação.

2.1 - Tipos de anemômetros

Anemômetro são aparelhos que medem a velocidade e direção do vento. Eles são

amplamente utilizados em túneis de vento, aeroportos, estações meteorológicas e pesquisas

para instalação de torres eólicas.

2.1.1 - Anemômetro de rotação

Este aparelho é comumente encontrado em estações meteorológicas. Consiste em um

dispositivo composto por pás, em formas de conchas ou hélices (ver Fig. 1 e 2), que giram em

torno de um eixo de suporte com rolamentos. Nesse caso a geometria do dispositivo permite

medir apenas a componente do vetor velocidade do vento perpendicular ao plano das pás, pois

a componente paralela do vetor velocidade não contribui para a rotação das pás. A velocidade

de rotação é mensurada através de um tacômetro que pode ser mecânico, óptico ou elétrico.

Um ponto positivo em se utilizar este anemômetro é o baixo custo, porém o mesmo possui

peças móveis que estão em contínuo movimento sendo necessária manutenção constante do

aparelho. Além disso, o anemômetro de rotação não mede a direção do vento. Para tal é feito

o acoplamento de um dispositivo que indica a direção do vento, como pode ser visto na Fig.2.

Outra desvantagem é que a velocidade inicial do vento precisa ser capaz de vencer a inércia

dos copos ou hélices (KOYAMA, 2009).

Figura 1 – Fotografia de um anemômetro

digital de rotação, portátil com hélices –

Faixa de medição: 0,3 a 45m/s.

Figura 2 – Fotografia de um anemômetro de

conchas com um dispositivo acoplado para

medida da direção do vento – Faixa de

medição: 0,9 a 50m/s.

Dispositivo para medir

direção do vento

14

2.1.2 - Anemômetro termoelétrico

Este tipo de equipamento mensura a velocidade de fluidos a partir de trocas de calor entre

o fluido e um sensor térmico. O sensor usado geralmente são fios (ver Fig.3) ou filmes

(cilindro isolante recoberto por fio metálico) finos condutores de calor com diâmetro na

ordem de 5 µm. O metal comumente usado como elemento sensível é a platina ou tungstênio.

Para aquecer o sensor é mantido uma corrente ou tensão constante. A medida de velocidade é

feita aferindo-se a variação de temperatura devido à passagem do vento.

Outra forma de se medir a velocidade do vento usando sensores termoelétricos é

mantendo a temperatura constante. Nesse método a velocidade é medida a partir da variação

de corrente necessária para manter a temperatura estável.

Os pontos favoráveis a este tipo de anemômetro é não possuir partes móveis e ter uma

maior sensibilidade para baixas velocidades de vento (PINTO,2006). Porém como o sensor

precisa estar exposto ao ambiente para ocorrer uma melhor troca de calor fica susceptível a

danos, visto que o mesmo é fragil. Danos físicos provocados por ventos com alta velocidade e

danos físico-químicos como oxidação e acúmulo de sujeiras, que alteram a resistência elétrica

do elemento sensor.

2.1.3 - Tubo de Pitot

O anemômetro com tudo de Pitot, mostrado na Fig.5 funciona com base na variação da

pressão medida em um tubo, onde uma das extremidades fica voltada em sentido contrário ao

deslocamento do vento. Como se observa na Fig.4 ele é formado basicamente por um tubo em

forma de U onde suas extremidades se conectam formando um L.

Figura 3 – Fotografia do anemômetro termoelétrico e zoom do elemento sensor de fio quente.

Faixa de medição 0 a 25m/s.

15

No ponto (a) na extremidade externa (ver Fig. 4) é medida a pressão estática (ar

parado). A abertura da extremidade interna é colocada no sentido contrário ao fluxo de ar. No

ponto (b) é medida a pressão de estagnação, ou seja, a pressão quando a velocidade do fluxo

de ar dentro do tubo é reduzida a zero. Conhecendo a pressão estática e de estagnação, pode-

se obter a velocidade da massa de ar que provoca a alteração na pressão, pois pela equação de

Bernoulli temos que a soma da pressão estática ( ) mais a pressão dinâmica (

é igual à

pressão de estagnação ( ):

A vantagem em se utilizar o Tubo de Pitot é a facilidade em ser construído e o pequeno

custo. Mas o mesmo se mostra ineficiente para baixas velocidades. Outra desvantagem é a

necessidade de que o tubo esteja bem alinhado com a direção do vento para que a medida seja

precisa.

Figura 5 – Fotografia de um anemômetro digital portátil com tubo de Pitot.

Faixa de medição – 2 a 45m/s

Figura 4 – Ilustração de um tubo de Pitot, onde é medida no ponto (a) a pressão estática e

no ponto (b) a pressão de estagnação, por meio da variação na altura (h) da coluna do

líquido ilustrado de cor preta (HALLIDAY,2002).

a

B b

16

2.1.4- Anemômetro a laser

O LDA (Laser Doppler Anemometer) contém um sistema óptico que emite um feixe de

laser. Este feixe é dividido em dois feixes que posteriormente se cruzam formando uma zona

de interferência mostrada na Fig. 6. Este anemômetro requer que estejam presentes no fluido

pequenas partículas capazes de seguir a orientação do fluido e refletir a luz. Estas partículas

podem ser de pó, água, fumaça, etc. Quando as partículas passam pela zona de interferência

difundem uma luz que possui frequência proporcional ao movimento das partículas entre as

franjas de interferência.

Um dispositivo capta a luz refletida nestas partículas. A variação das frequências (Efeito

Doppler) registradas é relacionada à velocidade do fluido.

Entre as vantagens deste tipo de anemômetro está o fato de não possuir partes móveis e

ter uma grande faixa de medição de velocidade de fluido. Porém para seu uso é necessária à

existência de partículas em suspenção no fluido para que ocorra o efeito Doppler. Com isso a

sua utilização tem sido quase que unicamente em laboratórios de pesquisa.

No entanto, uma variação do LDA é o LIDAR (Light Detection And Ranging) que é um

tipo de radar de luz acoplado aos aero geradores (Turbina Eólica). Com um funcionamento

semelhante ao LDA, o LIDAR fornece informações sobre o vento que pode atingir o aero

gerador por meio da detecção das características da massa de ar. Sabendo as características do

Figura 6 – esquema de funcionamento do LDA – (http://www.dantecdynamics.com/measurement-principles-of-

lda -11.08.214).

17

vento que vai atingir a torre eólica é possível ajustar as pás do gerador de forma a obter o

melhor rendimento.

2.1.5 - Anemômetro ultrassônico

Esse anemômetro mede a velocidade de fluidos com base no tempo de trânsito de um

pulso sonoro. A velocidade de propagação do som depende das características do meio em

qual se propaga. Fatores como densidade e temperatura influenciam na velocidade de

propagação da onda sonora. Outro ponto importante que influencia na propagação do som é o

movimento das partículas do meio como será discutido em seções posteriores. Com isso é

possível aferir a velocidade do vento sabendo o tempo de trânsito de um pulso ultrassônico

entre dois transdutores (Emissor/receptor).

Diferente dos outros anemômetros este é mais robusto, tendo em vista que o elemento

sensor não precisa estar em contato direto com o fluido a qual se aferi a velocidade. Isso lhe

permite ser utilizado no estudo de vários fluidos e em ambientes com ventos turbulentos.

Outra vantagem é o fato de não possuir partes móveis (ver Fig. 7), nem obstruir a passagem

do fluxo. Além de medir a velocidade do vento o anemômetro ultrassônico, também mede a

direção do vento. Para isso é necessário um arranjo bidimensional, por exemplo, com quatro

transdutores como pode ser observado na Fig. 7.

Figura 7 – Fotografia da parte superior de um anemômetro ultrassônico composto

por quatro transdutores distantes 20cm um do outro – Faixa de medição: 0 a

70m/s.

Transdutor

18

2.2 - Propriedades das ondas sonoras

Ondas sonoras são ondas mecânicas, ou seja, precisam de um meio material para se

propagar (Sólido, líquido ou gasoso). Elas se propagam como ondas de pressão transferindo

energia ponto a ponto, sem transportar massa. A pressão causada em um ponto do meio

devido a vibrações provoca compressões e rarefações como ilustrado na Fig.(8).

As ondas sonoras podem ser classificadas quanto a sua frequência de propagação.

Aquelas que possuem frequência entre 20 Hz e 20 kHz são denominadas sônicas (faixa

audível pelo ouvido humano). Já as que estão abaixo de 20 Hz são infrassônicas, e as que

estão acima de 20 kHz são ultrassônicas.

Atualmente ondas sonoras são usadas para determina fissuras em estruturas de concreto, na

localização de objetos através do sonar (localiza embarcações e destroços afundados), na

medicina para visualizar órgãos através de exames de ultrassom dentre outras aplicações.

Aqui vamos usá-la para medir velocidade do vento.

2.2.1 - Velocidade de propagação do som

Como o som é uma onda mecânica, a velocidade de propagação depende das propriedades

do meio. Atributos inercias e elásticos definem quão veloz pode ser uma onda sonora em

certo ambiente. No caso do ar, a contribuição inercial é a massa específica (1,21kg/m3) e a

elástica é o módulo de elasticidade volumétrica B (Define a variação de volume de um

elemento quando submetido a uma pressão).

Quando um ambiente é perturbado (nesse caso o ar) um pulso de pressão se desloca

provocando áreas de compressão e rarefação. A figura 9a ilustra um pulso de pressão se

deslocando em direção a um elemento de ar com comprimento L1, área da seção transversal

(A) e pressão inicial (p1). Quando o pulso de pressão atingir o elemento de ar, causa a

compressão do mesmo (ver Fig.9b) alterando o comprimento para L e a pressão para Δp.

Figura 8 - Ilustração da propagação do som no ar

(http://www.rc.unesp.br/showdefisica/99_Explor_Eletrizacao/paginas%20htmls/Ondas.htm-

10.06.14).

19

O pulso de compressão exerce uma força de compressão para a direita enquanto que a

parte do elemento não perturbado exerce força para a esquerda. Da relação de força e pressão

( F = pA) temos

Força de compressão = (p1 + Δp) A e Força do elemento não perturbado = p1A.

Sendo assim a força externa resultante no elemento é AΔp.

Considerando o elemento de ar como um sistema de partículas, podemos usar a lei de

Newton na forma (Σ F = Macm ) onde M é a massa total do sistema e acm é a aceleração do

centro de massa. De (Halliday, 2002) temos

acm =

e M = AL1 , onde ΔL = L2 – L1 e é o tempo que o pulso leva para se

propagar no elemento de ar.

Da segunda lei de Newton temos:

AΔp = ( AL1) (

) (1)

O tempo t é dado por

t =

, onde é a velocidade do pulso. (2)

Substituindo (2) em (1) temos:

AΔp = ( A)(

). (3)

Resolvendo (3) para temos:

L1 L

p1 A A

Figura 9a – Ilustração de um pulso de

pressão se deslocando em direção a um

elemento de. ar não perturbado

Figura 9b – Ilustração de

elemento de ar comprimido.

L

Δp

Força de compressão

Força do elemento não

perturbado Δp

20

= (

) (

). (4)

Extraindo-se a raiz em ambos os lados temos:

= √

. (5)

Fazendo V = AL1 e ΔV = ΔL A temos:

= √

. (6)

Como B = -Δp / (ΔV/V) temos que a velocidade de propagação da onda sonora no ar é dada

por

= √

, onde B é o módulo de compressibilidade. (7)

O módulo de compressibilidade determina o quanto um elemento de ar varia seu

volume quando submetido a uma pressão, temos assim, que B é a propriedade elástica do

meio enquanto que é a propriedade inercial. Se considerarmos o ar como um gás ideal,

temos de (Gettys, 1999) que

= √

. (8)

Onde é o índice adiabático, R é a constante universal dos gases (8,314J/molK), T é

temperatura absoluta e M é massa molar. Para o ar temos 1,4 e M = 0,0289 kg/mol.

Substituindo as constantes:

= 20,06 √ . (9)

Com isso vemos que a velocidade do som depende da temperatura do ar em que a onda se

propaga.

21

2.2.2 - Influência do vento na propagação da onda sonora.

Como vimos neste trabalho à velocidade de propagação da onda sonora depende das

características do meio em que ela se propaga. Variações de temperatura, densidade

volumétrica do meio de propagação e até mesmo a velocidade e sentido das partículas do

próprio meio podem interferir na velocidade de propagação da onda sonora.

No caso do ar um fluxo de partículas (vento), por exemplo, provoca um deslocamento

direcionado das moléculas de ar, dando uma velocidade às partículas que constituem o meio.

Sendo assim, se uma onda sonora se desloca no mesmo sentido do vento ocorre um acréscimo

em sua velocidade de propagação (ver Fig. 10a). No caso contrário, quando a onda sonora se

propaga em sentido oposto a direção do vento ocorre uma redução em sua velocidade de

propagação (situação ilustrada na Fig. 10b).

Devido o acréscimo de velocidade ao meio provocado pelo fluxo de partículas (vento),

o tempo de propagação de uma onda sonora aumenta ou diminui dependendo do sentido da

mesma em relação ao vento. O anemômetro ultrassônico se baseia na influência do vento

sobre o deslocamento da onda sonora para medir a velocidade do vento.

Na próxima seção será discutida como o anemômetro ultrassônico gera a onda sonora.

Figura 10 a – Ilustração de onda sonora se

propagando no mesmo sentido do vento.

Figura 10 b – Ilustração de onda sonora se

propagando em sentido oposto ao vento.

Onda

sonora

Moléculas de ar Sentido do movimento

das partículas de ar

Moléculas de ar

Onda

sonora

22

2.2.3 - Geração de ultrassom no anemômetro.

O anemômetro ultrassônico pode operar emitindo uma onda sonora contínua ou um trem

de pulsos. Para gerar a onda sonora o aparelho possui transdutores piezo elétrico

(Transdutores são dispositivos que transmutam energia).

O efeito Piezo elétrico é um fenômeno no qual ocorrem variações físicas (dimensões)

quando determinados materiais são submetidos à diferença de potencial elétrico. Essa

variação nas dimensões do material provoca a perturbação do meio gerando a onda

ultrassônica. Também se pode ter o inverso, com uma onda de pressão sobre o elemento

produz-se uma diferença de potencial elétrico entre as faces do mesmo (PEREIRA, 2008).

Com isso, um mesmo sensor pode ser usado em um instante como emissor em outro instante

como receptor. Um elemento muito usado nos transdutores é o cristal de quartzo laminado

(PAREDES, 2009).

Os transdutores ultrassônicos transformam energia de forma semelhante a um alto

falante. Sendo que nos transdutores ultrassônicos as vibrações que originam as ondas sonoras

derivam do efeito piezo, geralmente em um cristal de quartzo. Em quanto que nos alto

falantes as vibrações surgem de interações eletromagnéticas entre um imã e um solenoide.

Na seção posterior trataremos da configuração dos transdutores, de maneira a obter a

velocidade do vento com base no tempo de trânsito do pulso ultrassônico (tempo de

propagação da onda sonora entre os transdutores emissor e receptor).

2.2.4 – Configuração dos transdutores no anemômetro ultrassônico.

Dispondo os transdutores um de frente ao outro como mostra a Fig. 11a, temos que o

transdutor emissor Tx emite um pulso que é captado pelo transdutor receptor Rx. A

velocidade da onda sonora sofre influência do vento com velocidade . Supondo

que a direção do vento forme um ângulo θ com a linha que liga os transdutores, esta

inclinação viria a eliminar distúrbios provocados pela incidência direta do vento sobre o

transdutor Rx. Aqui usamos uma inclinação de 60º, a qual foi estabelecida visando à

praticidade nos cálculos.

23

Considerando o conjunto de vetores de velocidade das partículas do meio ilustrado na

Fig. 11b temos que:

(10)

Resolvendo para temos

. (11)

Integrando em ambos os lados temos

∫ ∫

. (12)

Supondo uniforme temos

t =

, (13)

onde , é a velocidade típica do som no ar, x é o espaço

entre os transdutores e t o tempo de trânsito da onda sonora entre o transdutor emissor e

receptor.

Substituindo x por d em (13) temos para t :

t =

. (14)

Figura 11a – Configuração de transdutores.

d

Tx

Figura 11b - Ilustração de vetores de

velocidade das partículas do meio.

𝑣 onda

Rx

Tx Tx

Rx

𝜃 𝜗 vento

24

Resolvendo (14) para temos :

= (

(15)

Porém para o uso da equação (15) é necessário estimar a velocidade do som no ar e esta

varia com a temperatura. Uma forma de mensurar a velocidade do vento sem ser necessário

estimar consiste em aferir t contra e a favor do fluxo de partículas (vento).

Para essa técnica os transdutores são configurados de maneira que um mesmo transdutor

funcione como emissor e receptor (ver Fig. 12). O transdutor A emite um pulso (onda sonora)

que é recebido pelo transdutor B, ocorrendo assim o registro de um tempo de trânsito de ida

(tida). Após essa medição o transdutor B funciona como emissor, emitindo o pulso que é

recebido pelo transdutor A. Dessa forma o tempo de trânsito de volta (tvolta) é medido.

As equações para os tempos de ida e volta ficam:

tida =

, (16)

tvolta =

. (17)

Rearranjando os termos:

= e (18)

A

B

Figura 12 – Ilustração de transdutores funcionando como

emissor e receptor.

25

= . (19)

Multiplicando (19) por (-1), somando com (18) e resolvendo para

obtemos uma equação que calcula a componente da velocidade do vento paralela ao eixo

entre os transdutores sem a necessidade de estimar dada por:

-

(20)

Nessa seção vimos que sabendo o tempo de trânsito da onda sonora pode-se

mensurar a velocidade do vento. Nas próximas seções trataremos dos métodos de operação do

anemômetro ultrassônico e das técnicas para registro do tempo de trânsito.

2.3 – Métodos de operação do anemômetro ultrassônico.

O anemômetro ultrassônico pode trabalhar seguindo dois princípios distintos: Efeito

Doppler e Tempo de trânsito. Aqui trataremos apenas do método de tempo de trânsito, pois é

o método utilizado no sensor de distância ultrassônico e o mesmo é base para este trabalho.

2.3.1 – Operação por tempo de trânsito.

O anemômetro ultrassônico utiliza transdutores para emitir e receber uma onda sonora.

Um dos fatores que influencia a velocidade de propagação do som é o movimento das

partículas, que compõe o meio (ar) em que a onda se propaga.

Com isso o tempo de trânsito entre a onda emitida e recebida muda de acordo com a

velocidade de propagação da onda, que estar relacionada com a velocidade das partículas

(vento) do meio. Assim sabendo o tempo de trânsito entre a onda emitida e recebida, pode-se

medir a velocidade do vento.

2.4 - Técnicas para estimação do tempo de trânsito do pulso ultrassônico.

Existem varias técnicas que podem ser utilizadas para medir o tempo que o pulso

ultrassônico leva para ir do emissor ao receptor (tempo de trânsito). Dentre as mais usadas

estão o método da diferença de fase, limiar de tensão e correlação cruzada.

26

2.4.1 – Método da diferença de fase.

Essa técnica se baseia na diferença de fase entre uma onda emitida e a recebida. É possível

obter o tempo de trânsito do pulso através da defasagem entre as ondas. Temos que

Δ = 2πft. (21)

Onde Δ é a diferença de fase entre a onda emitida e recebida, f é frequência da onda e t o

tempo de trânsito do pulso ultrassônico.

É necessário ajustar a distância entre os transdutores de maneira que a diferença de fase

seja zero para a velocidade do vento igual a zero. Ou seja, o sinal emitido precisa estar em

fase com o sinal recebido.

Uma vantagem em se utilizar o método da diferença de fase é o fato do mesmo ser menos

susceptível a ruídos, já que não mede o tempo de trânsito da onda sonora de forma direta que

é a medição do tempo através de um contador (cronômetro). Neste método o tempo de

trânsito é medido com base na diferença de fase entre uma onda emitida e recebida. Porém

esta técnica é limitada, tendo em vista que a medição da defasagem (Δ ) é finita, indo de 0 a

2π. O que provoca um limite na faixa de medição da velocidade do vento (PINTO, 2006).

Esta limitação não é visualizada na técnica de limiar de tensão que será apresentada na seção

2.4.2.

2.4.2 - Método de limiar de tensão.

No método de limiar o tempo de trânsito do pulso ultrassônico entre o sensor emissor e

receptor é medido com base em um nível de tensão pré-estabelecido. Através de um contador

é marcado o tempo a partir do instante de emissão da onda ultrassônica. Quando o pulso é

gerado (ver Fig. 13), o contador é disparado (inicia-se a contagem do tempo) até que o sensor

receptor capte um pulso com amplitude igual à tensão pré-determinada, ilustrada na Fig.13.

Nesse instante é registrado o tempo de trânsito da onda sonora.

27

Assim o temporizador registra o tempo em que a saída de um circuito comparador ficou

em um nível de tensão previamente estabelecido (Esse tempo equivale ao tempo de trânsito

do pulso ultrassônico).

O método de limiar é muito susceptível a ruídos principalmente devido a atenuações

que o próprio meio de propagação da onda causa na mesma. Como a onda emitida sofre

atenuações, não atingi o limiar de tensão sempre com o mesmo máximo como pode ser

observado na Fig.14 causando assim, o registro de tempos de trânsito diferentes. Porém

apesar do método de limiar ser susceptível a ruídos, aqui vamos usar a eletrônica do próprio

sensor de distância que funciona com este método.

Uma técnica mais adequada para a medida de tempo de trânsito é a correlação cruzada

(apresentada na seção posterior), por não apresentar as limitações presentes nos

procedimentos de diferença de fase e limiar de tensão.

Figura 13 – Ilustração do sinal emitido e recebido.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Sin

al e

létr

ico

TX

(u

.a.)

0 1 2 3 4 5 6 7 8

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

Sin

al e

létr

ico

RX

(u

.a)

Tempo (s)

Limiar de

tensão

elétrica

Onda emitida

Onda recebida

Limiar de tensão

atingido. Ocorre o

registro do tempo de

trânsito

28

2.4.3 – Método da correlação cruzada.

O método de correlação cruzada é uma técnica de processamento de sinais, em que a

onda transmitida é cruzada e correlacionada com onda recebida, ou seja, é feito o calculo de

correlação cruzada, entre o sinal elétrico enviado para o transdutor emissor com o sinal

elétrico detectado pelo receptor (PEREIRA, 2008). O sinal emitido e recebido pelos

transdutores é digitalizado de forma a ser feito a correlação cruzada. Quando a onda sonora é

gerada, o sinal elétrico usado para excitar o transdutor é armazenado, enquanto o pulso sonoro

se propaga até o transdutor receptor o sistema fica em espera. Quando a onda sonora chega ao

receptor o sistema registra o sinal elétrico recebido, este é armazenado e é feito o cruzamento

(calculo de correlação cruzada) entre os sinais emitido/recebido. No ponto de máxima

correlação (ver Fig. 15) é estimado o tempo de trânsito da onda sonora.

Figura 14 – Ilustração do método de limiar de tensão

29

A correlação cruzada minimiza os ruídos quando comparada com a técnica de limiar de

tensão e diferença de fase. A desvantagem desta técnica é o alto investimento em micro-

controladores (PEREIRA, 2008).

Figura 15 – Ilustração do sinal emitido, recebido e a correlação cruzada.

Sinal recebido Sinal emitido

Tempo de trânsito

Correlação Cruzada

(V)

(t)

(V)

(t)

Máxima correlação

30

CAPÍTULO 3 – MATERIAS E PROCEDIMENTOS

Realizamos um estudo acerca da utilização de sensores de distância no desenvolvimento

de um anemômetro ultrassônico. Para isso usou-se dois tipos de sensores com características

semelhantes aos transdutores ultrassônicos encontrados nos anemômetros comerciais

(Frequência na faixa de 40kHz e transdutores que operam como emissor e receptor) .

O primeiro sensor de distância estudado foi HC-SR04 (Ver Fig. 16). Ele funciona emitindo

um trem de pulsos na faixa do ultrassom com frequência de 40 kHz. A distância é calculada

com base no tempo de trânsito do pulso que é refletido pelo objeto no qual se estima a

distância.

Como pode ser visto na Fig. 16 o sensor HC-SR04 possui os dois transdutores em um

mesmo lado. Outro sensor de distância usado neste trabalho foi o LV – Maxsonar-EZOTM

. O

cálculo da distância ocorre de forma análoga ao sensor HC-SR04. Porém este é constituído de

apenas um transdutor (ver Fig. 17). Nesse caso um mesmo transdutor funciona como emissor

e receptor. A frequência de trabalho é de 42 kHz.

Várias montagens foram testadas buscando a melhor configuração para medição da

velocidade do vento. A primeira montagem com anteparo se baseia no tempo de trânsito da

onda sonora, emitida por um transdutor emissor que posteriormente é refletida por um

obstáculo e captada por um transdutor receptor. A segunda montagem consiste em por dois

sensores de distância um de frente ao outro, para com isso obter o tempo de trânsito de ida e

volta e usarmos a equação (20). A terceira montagem foi feita apenas com o sensor HC-SR04,

pois os transdutores foram retirados da placa de circuito e colocados um de frente ao outro.

Os detalhes de cada montagem serão apresentados na seção posterior.

Figura 16 – Fotografia do sensor de distância HC-SR04, contendo

dois transdutores, um oscilador de cristal e a placa de circuito.

Transdutor Oscilador de cristal

31

3.1- Montagens com o sensor HC-SR04

A primeira montagem utiliza um anteparo como ilustrado na Fig.18.

Nesse caso a velocidade do vento é medida tendo a soma dos tempos tida e tvolta ao

contrario da equação (20) que propõe a diferença entre os tempos.

tida+tvolta = (

) +(

), (22)

fazendo tida+tvolta = e resolvendo (22) para obtemos

= √

. (23)

Na segunda montagem ilustrada na Fig.19 usamos dois sensores de distância HC-SR04

de maneira a serem arranjado um em frente ao outro. Nesse caso o transdutor emissor do

sensor A emite uma onda sonora que é captada pelo transdutor receptor do sensor B. Em

contra partida o transdutor emissor do sensor B emite uma onda sonora que é captada pelo

transdutor receptor do sensor A. Buscamos com isso verificar a utilização da equação (20) na

medida da velocidade do vento com o sensor de distância.

Tx

Rx

Figura 18 – Ilustração de montagem com anteparo

Figura 17 – Ilustração do sensor de distância LV – Maxsonar-EZOTM , onde

podemos visualizar um transdutor e a placa de circuito.

Anteparo Sensor

32

Uma terceira montagem consiste em separar os transdutores do sensor HC-SR04 e

colocá-los um de frente ao outro como pode ser observado na Fig.20. Isso permitirá o uso da

equação (20) no calculo da velocidade do vento.

3.2 – Montagens com o sensor LV-Maxsonar-EZOTM

Para o LV-Maxsonar-EZOTM

foram feitas montagens analogamente aquelas trabalhadas

com o sensor HC – SR04. Configurações com anteparo e com dois sensores dispostos um de

frente ao outro.

Tx

Rx

Rx

x

Tx

Figura 19- Ilustração de arranjo de sensores (HC-SR04) em lados opostos

Tx

Rx

Tx Rx

Figura 20a– Ilustração do sensor

HC –SR04

Figura 20b– Ilustração do sensor HC –SR04 com seus

transdutores separados.

Transdutores

Placa de circuitos do

sensor HC-SR04

A

B

33

3.3 – Coleta de dados

Para todas as montagens citadas realizamos medidas com 1000 aquisições variando a

taxa de aquisição entre 3µs e 1000 ms. Outro parâmetro variado foi à distância entre o sensor

e o anteparo (montagem com anteparo) e a distância entre os sensores/transdutores

(montagem sem anteparo). Os dados foram coletados com e sem vento. Para produzir o fluxo

de partículas (vento) na ausência de um túnel de vento usamos um ventilador. Em algumas

ocasiões usamos o túnel de vento do laboratório de ensino do departamento de física teórica e

experimental.

A análise estatística foi fundamentada em histogramas, desvio padrão da média e

reprodutibilidade. Em um primeiro momento o estudo concretizou-se com base nos valores de

tempo de trânsito coletados. Em um segundo momento com valores de velocidade.

Para controle e aquisição de dados utilizamos a plataforma arduino. A arduino é uma

plataforma de prototipagem eletrônica de estrutura aberta, que surgiu em 2005 na Itália. Como

a original arduino possui estrutura aberta existem várias cópias no mercado com funções e

configurações semelhantes. Ela é composta basicamente por um microprocessador, um

oscilador de cristal e um regulador de tensão linear. Existem vários modelos de placa arduino

no mercado onde os mais comuns são: Arduino UNO, MEGA 2560 e arduino NANO.

A arduino uno (ver Fig. 21) foi o primeiro modelo criado, ela possui um micro

controlador Atmega328, 14 pinos digitais (entrada ou saída), 6 entradas analógicas e um

oscilador de cristal de 16MHz.

A arduino Nano apresentada na Fig.22 é uma versão reduzida da arduino semelhante à

arduino UNO, onde suas dimensões são 1,8cm de largura e 4,3cm de comprimento, enquanto

que, a arduino uno possui 5,3 cm de largura e 6,8 cm de comprimento. Este modelo de

arduino tem toda a capacidade eletrônica da arduino uno, porém com 8 pinos analógicos.

Figura 21 – Arduino UNO (www.arduino.cc).

34

A sua forma compacta permite a criação de projetos com tamanho total diminuto em relação

aos projetos com os outros modelos de arduino.

Aqui usamos a arduino Mega 2560 - http://www.arduino.cc/. Neste modelo de arduino

encontra-se um chip ATmega 2560 que permite uma placa com 54 pinos de saídas/entradas

digitas entre os quais 16 são PWM (Modulação de largura de pulso).

A arduino Mega 2560 abre espaço para projetos mais extensos, devido o grande número

de saídas e entradas existentes na mesma. A vantagem em se utilizar uma plataforma arduino

está na facilidade em seu uso, já que a placa não precisa de softwares ou hardware

sofisticados para executar seus comandos.

Por exemplo, neste trabalho os sensores são conectados a saída de 5 volts da arduino que

pode ser alimentada pela porta USB do computador. Através dos pinos digitais a plataforma

controla o envio e recebimento de dados do sensor. Essa interação ocorre de acordo com os

comandos executados por meio de uma IDE (ambiente de desenvolvimento integrado). Este

software é gratuito e a linguagem de programação é bem semelhante à linguagem C/C++.

A Mega 2560 possui uma taxa de clock de 16 MHz o que nos permite fazer medidas

com uma taxa de aquisição a partir de 3 µs (usando linguagem de alto nível).

Figura 23 – Ilustração da arduino Mega 2560.

Figura 22 – Arduino Nano (www.arduino.cc).

35

CAPÍTULO 4 - RESULTADOS E DISCUSSÕES

Aqui tratamos dos resultados tirados a partir da análise dos dados coletados. Com o

objetivo de medir a velocidade do vento foram feitos diferentes arranjos com os transdutores.

As vantagens e desvantagem de cada montagem trabalhada serão discutidas aqui. Além disso,

discutimos e apresentamos soluções encontradas para problemas que surgiram durante as

montagens.

4.1 – Montagem com anteparo

As primeiras medidas realizadas foram feitas com o intuito de verificar se a plataforma

eletrônica composta pelo sensor de distância e pela placa arduino apresentariam sensibilidade

suficiente para medir a diferença do tempo de transito do pulso ultrassônico entre as situações

com e sem vento. Ou seja, se ocorre, mudanças no registro de tempo quando passa fluxo de

partículas (vento) no caminho entre os sensores. Compilamos um código no programa da

arduino de maneira a coletar 1000 aquisições de tempo (tempo de trânsito da onda sonora

entre os transdutores emissor e receptor). Foi colocado um anteparo a 15 cm de distância do

sensor HC-SR04. Com isso o percurso da onda sonora é de 30 cm, tendo em vista que nesta

montagem o sinal captado pelo sensor receptor é oriundo da reflexão do som (eco) no

anteparo como foi observado na Fig.18.

Com os dados coletados foram plotados histogramas mostrados na Fig.24. No eixo

horizontal dos histogramas constam o tempo de trânsito da onda sonora e no eixo vertical a

frequência com que foram registrados valores de tempo de trânsito em um mesmo intervalo

de tempo, por exemplo, no histograma com ventilador desligado (ver Fig.24) o pico maior

representa que das 1000 medidas de tempo de trânsito realizadas, 550 estão no intervalo de

818 µs a 819 µs.

Os dados coletados mostram que ocorrem modificações nos registros de tempo (tempo

de trânsito da onda sonora entre o emissor e receptor) nas medidas realizadas sem e com

vento. Podemos ver nos histogramas da Fig. 24 que sem vento o maior pico de registros de

tempo está no intervalo entre 818 µs e 819 µs, enquanto, que com vento acontece um

deslocamento no maior pico de tempo para os intervalos entre 814 µs e 815 µs, 816 µs e

817µs.

36

Analisando os histogramas observamos uma variação nos registros de tempo. Por

exemplo, no histograma para o ventilador desligado da Fig.24 existem vários picos menores

de registro de tempo em volta do maior pico. Isso ocorre devido o método de limiar de tensão

ser susceptível a ruídos e atenuações do meio, como foi discutido na seção (2.4.2).

Neste histograma temos que o tempo de trânsito da onda sonora está entre 818µs e

819µs (intervalo de maior pico do histograma). Porém em volta deste pico existem outros

picos de registros de tempo. Os picos de intervalos de tempo abaixo de 818µs são oriundos de

ondas sonoras pouco atenuadas, ou seja, o limiar de tensão elétrica é atingido mais

rapidamente. Já os picos que estão acima de 819µs, são registros de tempo de trânsito que

derivam de ondas muito atenuadas (atraso no alcance do limiar de tensão).

Com tudo, os dados coletados mostraram uma reprodutibilidade nos registros de

tempo (tempo de trânsito do som entre os sensores emissor/receptor). Pois medidas diferentes

(ver Fig.25) para uma mesma configuração (exemplo: ventilador ligado) apresentam

distribuições (histogramas) muito semelhantes no acúmulo de tempo.

Figura 24- Histogramas de tempo de trânsito com o ventilador ligado e desligado

Figura 25. Histogramas mostrando distribuições semelhantes para medidas diferentes.

813 814 815 816 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador desligado

813 814 815 816 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Fre

qu

êcia

.

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador ligado

813 814 815 816 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Fre

qu

êcia

.

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador ligado 1

813 814 815 816 817 818 819 820 821 822 823 824 825 826

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador ligado 2

37

Rescrevendo a Eq. (22) modelo teórico adotado para esta montagem, em que o tempo de

trânsito da onda sonora é dado pela soma dos tempos de trânsito da onda emitida até o

anteparo, mais o tempo da onda refletida até o sensor receptor, temos:

T = (

) + (

) onde T = tida + tvolta

Fazendo = - componente da velocidade do vento paralela ao eixo entre

os transdutores, temos que T para (com vento) é dado por

T = (

+ (

), (24)

para = 0 (sem vento) temos T dado por :

T =

. (25)

Fazendo obtemos a diferença entre os tempos de trânsito da onda

sonora com e sem vento.

= {[

] [

]}. (26)

Fazendo = 343 m/s, velocidade da onda sonora no ar a 20ºC e atribuindo valores

a na equação (26), obtemos a curva mostrada na Fig.26 da diferença entre os tempos de

trânsito da onda sonora sem e com vento em função da componente da velocidade do vento

paralela ao eixo entre os transdutores. Constatou-se que a diferença entre os tempos sem e

com vento deveria ser menor que 1µs para velocidades abaixo de 12m/s.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 150.0

0.5

1.0

1.5

2.0

(tid

a+

vo

lta) c

om

ve

nto -

(t id

a+

vo

lta) s

em

ve

nto (s)

Velocidade do vento (m/s)

Diferênça entre os tempos x velocidade do vento

Figura 26 - Gráfico mostrando a diferença entre os tempos e a velocidade do vento.

38

Porém, isto não era visualizado experimentalmente, tendo em vista que os dados

mostravam uma diferença de aproximadamente 2µs para o vento com velocidade de 3,5 m/s

(velocidade máxima da componente produzida pelo ventilador). Com isso foram realizadas

medidas diminuindo o tamanho do anteparo que inicialmente era um quadrado de 15cm de

lado para um círculo de 3cm de diâmetro. Os histogramas (ver Fig. 27) gerados a partir dos

dados obtidos com o anteparo menor mostram uma distribuição muito semelhante. Os

maiores picos em ambos os casos (sem e com vento) estão no intervalo de tempo de 830µs a

831 µs. Neste caso não é observado o deslocamento do maior pico de intervalo tempo

apresentado nos histogramas da Fig. 24. Verificamos apenas uma diminuição no maior pico e

um aumento na quantidade de picos do histograma com vento em relação ao histograma sem

vento.

Diminuindo a separação entre o sensor e o anteparo de 15 cm para 10 cm, verifica-se

que a diferença entre os tempos registrados com e sem vento aproxima-se do modelo teórico

observado na Fig.26. Os histogramas gerados a partir dos dados coletados com 10 cm de

separação entre o sensor e o obstáculo, são muito semelhantes (ver Fig. 28),ou seja, a

diferença entre os tempos de trânsito com e sem vento é muito pequena (menor que 1µs).

825 826 827 828 829 830 831 832 833 834 835 836 837 838

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Fre

qu

ên

cia

.

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador ligado

825 826 827 828 829 830 831 832 833 834 835 836 837 838

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador desligado

Figura 27 – Histogramas gerados a partir dos dados obtidos com anteparo de 3 cm de diâmetro.

39

Observou-se assim, uma coerência entre os dados experimentais e os valores teóricos

para a diferença entre os tempos de trânsito com e sem vento. No entanto, a arduino não

possui precisão suficiente para trabalhar com diferenças tão pequenas. Os mesmos resultados

foram observados com o sensor LV-Maxsonar-EZOTM

.

Apesar da montagem com anteparo ser funcional, a mesma possui a desvantagem de

precisar de um anteparo e ser necessária a medida da temperatura para uso da Eq.23.

4.2 – Montagem com sensores colocados um de frente ao outro.

Nessa etapa foram usados quatro sensores de distância. Dois sensores do modelo HC-

SR04 e dois sensores do modelo LV-Maxsonar –EZOTM

. A proposta aqui era obter o tempo

de trânsito da onda sonora no mesmo sentido do vento (tida) e contra o sentido do vento

(tvolta). Para isso pretendia-se que o sinal emitido por um sensor A fosse recebido pelo

receptor de um sensor B, e o sinal emitido pelo sensor B fosse captado pelo receptor do sensor

A (situação ilustrada na Fig.29). Mas aparentemente os sensores são projetados para

reconhecer apenas ondas emitidas pelo próprio sensor.

Figura 28 - Histogramas gerados a partir dos dados coletados com 10 cm de separação entre o

sensor e o anteparo de 3 cm de diâmetro.

577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Frê

nq

ncia

Tempo de trânsito(microssegundos)

Ventilador desligado

577 578 579 580 581 582 583 584 585 586 587 588

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito ( microssegundos)

Ventilador ligado

TX

RX

RX

TX

TX/RX TX/RX

A B

A B

HC – SR04 LV – Maxonar - EZOTM

Figura 29 – Ilustração dos sensores colocados um de frente ao outro

40

4.3 – Montagem com transdutores separados

Nesta fase usamos apenas o sensor de modelo HC-SR04, pois o mesmo é constituído de

dois transdutores, os quais foram separados (ver Fig. 30).

Os transdutores foram montados em um suporte de maneira a ficar posicionado um em

frente ao outro como mostrado na Fig.31.

Figura 30 a – Sensor HC –SR04. Figura 30 b – Sensor HC –SR04 com os transdutores

separados.

Figura 31 – Montagem com transdutores separados.

41

As primeiras medidas de tempo de trânsito com essa montagem foram feitas com o

intuito de verificar a diferença nos registros de tempo sem e com vento (ventilador –

desligado/ligado). Pelo modelo teórico (Eq. 16) a diferença entre os tempos de trânsito sem e

com vento para 10 cm de separação entre os transdutores deve ser de aproximadamente 2,9 µs

(para ventos com de 3,5 m/s).

Analisando os histogramas da Fig.32 podemos ver uma coerência entre os dados

experimentais e a previsão teórica. Tendo em vista que os histogramas mostram um

deslocamento de 3µs no pico de maior acúmulo de tempo entre os registros com e sem vento.

Outro fato observado foi que como o som é uma onda mecânica, sua velocidade de

propagação depende das características do meio em que a onda se propaga. Uma dessas

características é o movimento das partículas que compõe o ambiente de propagação da onda

sonora. Com isso quando, houver um fluxo de partículas (vento) em sentido contrário ao

deslocamento da onda sonora (ultrassom emitido pelo transdutor) o tempo de trânsito da onda

será maior do que o tempo de trânsito quando não existir vento.

Em contra partida, quando o deslocamento das partículas (vento) do meio estiver no

mesmo sentido de propagação da onda sonora, o tempo de trânsito será menor do que seria se

não houvesse vento. Os dados coletados com os transdutores separados mostram coerência

com a fundamentação teórica citada aqui. Observamos que sem vento o tempo médio de

trânsito é 219,8 µs (ver Fig.33a). Já no caso em que o vento incide no mesmo sentido de

propagação da onda o tempo médio é de 216,8 µs (ver Fig.33b) (tempo de trânsito menor que

o tempo de trânsito sem vento). Enquanto que, o tempo médio quando o vento é direcionado

em sentido oposto ao de propagação da onda sonora é de 222,9µs (ver Fig.33c) (tempo de

trânsito maior que o tempo sem vento).

Figura 32 – Histogramas gerados com dados de tempo coletados com os transdutores separados.

211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador desligado

211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador ligado

42

Os dados coletados experimentalmente mostram coerência com o que se espera pela

fundamentação teórica, conclui-se com isso, que a montagem com os sensores separados pode

ser trabalhada para aplicar o sensor de distância na medida de velocidade de vento.

Figura 33a- Histograma gerado a partir de dados coletados com os transdutores separados da

placa de circuito do sensor – Sem vento.

Figura 33b- Histograma gerado a partir de dados coletados com os transdutores separados da

placa de circuito do sensor – vento no mesmo sentido de propagação da onda.

211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800F

req

ncia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador desligado

211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador ligado no mesmo sentido de deslocamento da onda

Tempo médio de trânsito – 219,8µs

Tempo médio de trânsito – 216,8µs

43

Visando uma medida mais precisa, trabalhou-se para eliminar a necessidade de se

estimar a temperatura na medida da velocidade do vento e assim poder usar a Eq.20. Para isso

é preciso que um transdutor funcione ora como emissor ora como receptor (ver Fig.34).

Sendo assim, se fez necessário a implementação de um circuito que permutasse a

configuração dos transdutores de maneira que um mesmo transdutor opere como emissor e

receptor. Inicialmente usou-se um circuito integrado do tipo chave analógica modelo CD4066

(ver Fig.35).

211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Ventilador ligado em sentido oposto ao deslocamento da onda

Figura 33c- Histograma gerado a partir de dados coletados com os transdutores separados da

placa de circuito do sensor – vento em sentido contrário ao sentido de propagação da onda.

Tempo médio de trânsito – 222,9µs

TX/RX TX/RX

Placa de circuito do

sensor HC-SR04

Figura 34 – Ilustração de transdutores funcionando ora como

emissor ora como receptor.

44

O circuito integrado CD 4066B possui quatro chaves que funcionam de maneira

semelhante a um interruptor comum, porém controlados por níveis de tensão. Cada chave

possui um pino de controle. Quando este é levado a um nível lógico alto (2,8V a 5V) a chave

estar fechada e quando o pino de controle e levado a um nível logico baixo (0V a 2,7V) a

chave estar aberta.

A chave analógica utiliza transistores bipolares. Os transistores permitem ou não a

passagem de corrente entre dois de seus terminais dependendo da corrente que passa em um

terceiro terminal. Mas estes dispositivos não são chaves perfeitas, pois mesmo em modo

aberto ocorre uma pequena passagem de corrente.

O circuito que compõe o sensor de distância HC-SR04 é formado por dois sistemas

independentes (ver Fig. 36). O circuito responsável por excitar o transdutor e o responsável

por registrar o tempo de trânsito da onda sonora.

Figura 36 – Circuitos que compões o sensor HC-SR04.

Circuito receptor

Circuito transmissor

Figura 35 – Chave analógica CD4066B

45

Para realizar a permuta entre os transdutores emissor e receptor foram usadas duas chaves

analógicas CD4066B mostradas na Fig.37, pois os terminas negativos não estão interligados.

Como a corrente de fuga apresentada pela chave analógica é suficiente para interferir na

permutação entre os transdutores, o circuito integrado CD4066B não é uma solução viável

para o nosso caso, pois como um mesmo transdutor estava conectado aos circuitos emissor e

receptor, uma pequena parte do pulso elétrico que deveria excitar o transdutor emissor chega

ao circuito receptor. Isso faz com que o circuito receptor registre um tempo de trânsito muito

abaixo do esperado.

Para resolver este problema usou-se um conjunto de mini-relés que associados fariam

a permuta entre os transdutores emissor e receptor. O relé é um tipo de chave acionado por

interações eletromagnéticas. Ele é composto basicamente por uma bobina, um pino central

conectado a uma armadura metálica móvel e dois contatos.

Ao acionarmos o relé a corrente elétrica que passa pela bobina gera um campo magnético

que atrai a armadura do pino central abrindo ou fechando fisicamente um circuito. Sendo

assim, resolveu-se o problema que se tinha com a chave analógica (permitia a passagem de

uma pequena corrente, mesmo em estado aberto). Para fazer a permuta entre os transdutores

foram usados quatro relés de 5 V ( Ver Fig.38), que quando testados observou-se serem

acionados a partir de 3V.

Figura 37 – Esquema de permuta usando chave analógica CD4066B.

Placa do sensor HC-SR04

CH1 / CH2

Chaves analógicas

46

Para proteger a arduino utilizamos o circuito integrado ULN2004 ilustrado na Fig.39

que funciona como um driver de controle para corrente elétrica. Este driver permite que a

arduino controle dispositivos que trabalham com correntes superiores a 40 mA (corrente

máxima fornecida pela arduino).

O CI ULN2004 é basicamente um conjunto de transistores em configuração darlington,

o que permite que os mesmo proporcionem um ganho de corrente. Como os relés usados são

de baixa tensão, aqui usamos o ULN2004 para proteger a placa arduino de correntes inversas

oriundas da auto indução ocasionadas pelas bobinas dos relés. Configurando as ligações dos

relés juntamente com o driver de controle (ver Fig.40) é possível a comutação entre os

transdutores emissor e receptor. A automação dos relés se da por meio da compilação de um

código no software da arduino.

Figura 38 – Ilustração de mini relés 5V.

Figura 39 – Circuito integrado ULN2004.

47

Em um primeiro instante a arduino mantem os relés em baixa (desligado por 100ms),

neste momento o transdutor A está conectado ao circuito emissor do HC-SR04 (ver Fig.40)

operando como TX (emissor), enquanto que o transdutor B está conectado ao circuito receptor

operando como RX (receptor). Em um segundo momento a arduino eleva os pinos dos relés

(ligado por 100ms) para 5V, acionando as bobinas dos reles que provoca a mudança na

ligação dos transdutores. Neste instante o transdutor A passa a estar ligado ao circuito

receptor do HC-SR04, atuando assim, como RX, enquanto que o transdutor B é conectado ao

circuito emissor, funcionando com isso como TX.

Permutando os transdutores obtivemos o tempo de trânsito da onda sonora quando a mesma

se propaga no mesmo sentido e contra o sentido do vento. Com estes registros de tempo,

podemos medir a velocidade do vento independente do valor da temperatura, pois para essa

geometria a Eq. 20 é valida, que não depende da temperatura. Com esta configuração quando

não houver fluxo de partículas no caminho da onda sonora, os tempos de propagação desta,

registrados pelos transdutores serão iguais. As medidas experimentais apresentadas na Fig.41

estão em conformidade com o modelo teórico adotado.

Placa de circuito

do sensor Relé

Figura 40 – Esquema do circuito com relés.

Transdutor

(A)

Transdutor

(B)

48

Tendo em vista que o relé é um tipo de chave mecânica diminuiu-se o número de

aquisições para 100 aquisições por medida, buscando minimizar o desgaste mecânico. Os

histogramas da Fig.41 mostram os dados coletados com a montagem em que usamos o

módulo relé (ver Fig.42) para comutar os transdutores ora emissor ora receptor.

Neste caso em que um mesmo transdutor opera como emissor e receptor são

registradas duas medidas de tempo (tempo de ida e tempo de volta). Como não há fluxo de

partículas, os picos de maior amplitude são iguais conforme prevê a teoria. Já no caso em que

existe vento os picos de maior amplitude são diferentes, o que pode ser visto na Fig. 43.

Figura 41 – Histogramas mostrando os registros de tempo sem vento para

transdutores separados.

Figura 42 – Módulo relé usado para comutar os transdutores.

286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Tempo de ida

286 287 288 289 290 291 292 293 294 295 296 297

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Tempo de volta

49

Os histogramas da Fig. 43 representam os tempos de trânsito da onda sonora, quando

esta se propaga no mesmo sentido do deslocamento das partículas do meio (tida) e quando se

propaga em sentido contrário ao do vento (tvolta). Observe (ver Fig.41 e 43) que o tida é menor

em relação ao tempo de trânsito da onda sonora quando não há vento e o tvolta é maior que o

tempo de trânsito da onda sonora quando não há vento. Novamente as medidas experimentais

apresentam coerência com a teoria citada aqui.

Como os registros de tempo de trânsito se encontram dentro do esperado, foram

realizadas medidas da velocidade do vento. Para a coleta dos dados variou-se a velocidade de

0 m/s a 10 m/s onde em cada ponto efetuou-se três aferições. O dispositivo trabalhado aqui

mede a componente da velocidade do vento paralela ao eixo que liga os transdutores. Os

sensores foram configurados de maneira que a linha que liga os dois transdutores forme um

ângulo de 60º com a direção do vento (ver Fig.44). Sendo assim uma variação de velocidade

entre 0 m/s e 10 m/s gera uma componente paralela ao eixo que liga os transdutores que varia

entre 0 m/s e 5 m/s.

Figura 43 – Histogramas mostrando os registros de tempo com vento

para os transdutores separados.

280 282 284 286 288 290 292 294 296 298

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito (microssegundos)

Tempo de ida

280 282 284 286 288 290 292 294 296 298

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

Fre

qu

ên

cia

Tempo de trânsito(microssegundos)

Tempo de volta

)𝜃

Linha que liga os transdutores

Direção do vento

Ângulo de 60º

Figura 44 – Ilustração da configuração dos transdutores com ângulo de 60º.

50

Na ausência de um anemômetro ultrassônico usou-se o anemômetro de rotação

modelo AD -145 mostrado na Fig. 45, a critério de comparação.

A velocidade do vento ( medida com o anemômetro comercial de rotação é feita

com o plano das pás perpendicular à direção do vento, obtemos assim os valores da coluna da

esquerda da Tab.1. Esta medida de velocidade é multiplicada pelo COS60º e obtemos os

valores da coluna da direita da Tab.1, que representa a componente da paralela ao eixo

entre os transdutores. Para cada valor de velocidade foi feito medidas com o anemômetro

ultrassônico experimental, onde se esperava que os valores de velocidade registrados

estivessem próximos dos valores apresentados na coluna da direita da Tab.1 de forma a

obtermos uma reta relacionando os valores medidos com o anemômetro comercial e

experimental.

VELOCIDADE MENSURADA PELO

AD-145 (m/s)

(m/s)

0,0 0,0

1,0 0,5

2,0 1,0

3,0 1,5

4,0 2,0

5,0 2,5

6,0 3,0

7,0 3,5

8,0 4,0

9,0 4,5

10,0 5,0

Figura 45 – Anemômetro de rotação AD -145.

Tabela 1 – Valores de velocidade do vento convertidos em 𝜗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜃

51

As medidas foram realizas em laboratório usando o túnel de vento do laboratório de

física teórica e experimental da UFRN. Os dados coletados (ver Fig. 46) mostram que o

anemômetro com os sensores de distância não funciona bem para ventos com velocidades

entre 0,5m/s e 1,5m/s. Nesta faixa o mesmo apresenta valores de velocidade muito próximos

de zero.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

V c

os

Vcos comercial (m/s)

V cos comercial x V cos experimental

Utilizando a Eq.17 (tvolta – onda sonora se propagando em sentido contrário ao vento)

verifica-se que os tempos de trânsito das ondas sonoras são muito próximos para pequenas

variações da velocidade do vento, como pode ser visto na Fig.47. O mesmo resultado é

observado se usarmos a Eq.16(tida – onda sonora se propagando no mesmo sentido do

vento).

A diferença entre os tempos de trânsito, por exemplo, para 0,5m/s e 1,0m/s é de

aproximadamente 0,5µs. Isto justifica os valores da velocidade registrados pelo anemômetro

experimental estarem próximos de zero, enquanto que, o anemômetro comercial mede 0,5m/s,

1,0m/s e 1,5m/, tendo em vista, que a arduino não tem precisão suficiente para separar

medidas com diferenças menores que 1µs.

Figura 46 – Gráfico mostrado a relação entre o 𝜗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜃 comercial e 𝜗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜃 experimental. No gráfico

constam três medidas para cada ponto (velocidade).

𝜗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜃 comercial X 𝜗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜃 experimental 𝜗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜

𝜃

exper

imen

tal

(m/s

)

𝜗𝑣𝑒𝑛𝑡𝑜 𝜃 comercial (m/s)

52

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0

291.5

292.0

292.5

293.0

293.5

294.0

294.5

295.0

295.5

296.0

296.5

297.0

Te

mp

o d

e v

olta

(m

icro

sse

gu

nd

os)

Velocidade (m/s)

tempo de trânsito x velocidade do vento

No entanto, a partir de 2,0 m/s (Componente da velocidade paralela ao eixo entre os

transdutores) o dispositivo registra valores da velocidade do vento mais coerentes com as

medidas de referência comercial. Observasse pelo gráfico da Fig.46 que se considerarmos os

pontos com variação de velocidade em torno de 1,5 m/s (exemplo: 2,0m/s, 3,5m/s e 4,5m/s),

os registros de velocidade do vento (anemômetro comercial x anemômetro experimental)

tenderam a formar uma reta.

A discrepância entre os valores medidos pelo anemômetro comercial de rotação e o

anemômetro ultrassônico experimental, pode ser explicada devida as diferenças e limitações

apresentadas pelo anemômetro de rotação em relação ao anemômetro ultrassônico.

Divergências como volume espacial de medida e a necessidade de perpendicularidade entre o

plano das pás e a direção do vento para obter medidas precisas com anemômetro de rotação

são fontes de erro.

Outra fonte de erro a qual não temos controle é o ângulo de 60º, pois qualquer

variação na medida do ângulo pode provocar diferenças entre os valores apresentados pelos

dois anemômetros. Devido a limitações de equipamento não pode ser feito aqui um estudo

para entender o comportamento dos sensores com ventos de velocidade acima de 10 m/s.

Figura 47 – Gráfico mostrando tempo de trânsito (tvolta) da onda sonora em

função da velocidade do vento.

53

CAPÍTULO 5 - CONCLUSÃO

Neste capítulo tratamos das conclusões tiradas a partir da análise de cada montagem, a

respeito do uso do sensor de distância na medida de velocidade do vento.

5.1 Montagens

Durante o trabalho montamos, discutimos e analisamos três montagens diferentes

utilizando sensores de distância na medida de velocidade do vento. Estudamos os resultados e

buscamos soluções diante das limitações que já foram apresentadas. Dentre as três

configurações utilizadas, duas mostraram potencial no uso do sensor de distância para

mensurar a velocidade do vento.

A primeira montagem é a com anteparo, onde se usou o sensor de distância em sua

estrutura original. Nesta configuração foram utilizados dois sensores de modelos HC-SR04 e

LV-Maxsonar-EZO. O primeiro é constituído de dois transdutores (emissor e receptor) e a

placa de circuito. O segundo é formado pela placa de circuito e por apenas um transdutor,

onde o mesmo funciona como emissor e receptor. A montagem com anteparo apresenta

indícios que possibilita o uso do sensor de distância na medida da velocidade do vento, porém

requer um estudo mais apurado, que não foi possível aqui, devido a limitações de

equipamento como microprocessador com maior precisão e túnel de vento com maior

potência.

A segunda montagem é com os transdutores separados e colocados um de frente para o

outro onde se usou apenas o sensor de modelo HC-SR04. Aqui o sensor de distância é

desestruturado, desacoplando os transdutores da placa de circuito. Os dados coletados com

essa montagem apresentam coerência com o que se espera baseado nos modelos teóricos

apontados aqui.

Os resultados mostram que as medidas da velocidade do vento feitas com o

anemômetro ultrassônico experimental, tendem a formar uma reta com as medidas realizadas

pelo anemômetro comercial, quando consideramos variações na velocidade do vento de 1,5

m/s. Assim, conclui-se que com uma calibração e um aprofundamento nos estudos é possível

utilizar o sensor de distância na medida de velocidade do vento.

Outro fato a ser ressaltado é que a medida de tempo de trânsito da onda sonora feita

pelo sensor de distância utiliza o método de limiar de tensão, que não é o mais indicado, pois

o mesmo é muito susceptível a erros o que explica as variações de tempo de trânsito

apresentadas nos histogramas gerados durante o trabalho. Ou seja, a possibilidade de

54

investimentos em eletrônica e a existências de métodos para determinar o tempo de trânsito da

onda sonora, menos susceptíveis a ruídos permitem o uso do sensor de distância na medida da

velocidade do vento.

55

CAPÍTULO 6 - PERSPECTIVAS

Neste trabalho apresentaram-se resultados favoráveis a utilização do sensor de

distância na medida da velocidade do vento. Porém são necessários estudos mais

aprofundados a fim de se obter com mais detalhes o comportamento do sensor de distância na

medida da velocidade do vento. Aqui não se chegou a finalizar o protótipo para ser utilizado

em campo, pois o mesmo é limitado a medir a componente do vento paralela à linha que liga

os sensores. Ficando assim para trabalhos futuros a conclusão do protótipo com no mínimo

dois sensores de distância. Para com isso, formarmos um anemômetro capaz de medir não só

a velocidade do vento, mas também sua direção.

Outros aspectos importantes a serem trabalhados são o levantamento de uma curva de

calibração com velocidades acima de 10 m/s e a otimização do método para medir o tempo de

trânsito. Ao invés de usar a técnica de limiar de tensão, desenvolver um circuito eletrônico

próprio para usar a técnica de correlação cruzada, visando minimizar os ruídos oriundos da

técnica de limiar de tensão. Análise de outros sensores de distância com a mesma composição

do HC-SR04 e diferentes hardwares microprocessadores é outro ponto a ser trabalhado.

Concluído esta etapa seriam realizados os testes práticos em campo tendo como referência um

anemômetro comercial ultrassônico.

Outro ponto a ser trabalho é a abertura do processo de patente da ideia do

desenvolvimento de um anemômetro ultrassônico usando sensores de distância.

56

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

HALLIDAY, D.; RESNICK,R.; KRANE,KENNETH.S. Física 2. 5.ed.Rio de Janeiro. Livros

técnicos e científicos, 2007.

KOYAMA, M. I. Desenvolvimento de um anemômetro 3D ultrassônico baseado em

apenas quatro transdutores. 2009. 76 f. Dissertação ( Mestrado em engenharia elétrica) –

Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual de Londrina, Londrina,2009.

PEREIRA, R. V. Sensores e transdutores para um sistema automático de aquisição de

dados agro meteorológicos. 2008. 124 f. Dissertação (Mestrado em engenharia elétrica) –

Faculdade de Engenharia Elétrica, Universidade Estadual de Londrina, Londrina,2008.

ALMEIDA, W. R. M. Anemômetro baseado no método do tempo de transito: estudo

comparativo de arquiteturas, avaliação de incertezas e implementação. 2004. 81 f.

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