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SISTEMA DE CALIBRAO E TESTE DE SENSORES DE PRECIPITAO
RELATRIO FINAL DO PROJETO DE INICIAO CIENTFICA
(PIBIC/CNPq/INPE)
Aderson Stanrley Peixoto Santos (UFRN, Bolsista PIBIC/CNPq/INPE)
E-mail: [email protected]
Msc. Marcos Aurlio F. dos Santos (INPE, Orientador) E-mail:
[email protected]
COLABORADOR
Dr. Fernando Moreira da Silva (UFRN)
INPE CRN-NATAL
2009
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SISTEMA DE CALIBRAO E TESTE DE SENSORES DE PRECIPITAO
RELATRIO FINAL DO PROJETO DE INICIAO CIENTFICA
(PIBIC/CNPq/INPE)
Aderson Stanrley Peixoto Santos (UFRN, Bolsista PIBIC/CNPq/INPE)
E-mail: [email protected]
Msc. Marcos Aurlio F. dos Santos (INPE, Orientador) E-mail:
[email protected]
COLABORADOR
Dr. Fernando Moreira da Silva (UFRN)
INPE CRN-NATAL
2009
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RESUMO
O relatrio apresentado tem o objetivo de traar o encaminhamento
das pesquisas
relativas proposta do plano de trabalho do projeto de iniciao
cientfica, cujo cunho
nesta etapa est voltado no estudo das metodologias empregadas na
realizao da
calibrao e testes dos sensores de precipitao existentes. Dessa
forma pretende-se
obter o conhecimento para a criao de um sistema de calibrao dos
pluvimetros de
tipo Tipping-Bucket utilizados pelo Instituto Nacional de
Pesquisas Espaciais (INPE)
em suas Estaes Meteorolgicas Automticas.
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FINISH REPORT OF THE PROJECT OF SCIENTIFIC INITIATION
(PIBIC/CNPq/INPE)
SYSTEM OF CALIBRATION FOR TEST OF PRECIPITATION SENSORS
ABSTRACT
The report aims to trace the routing of research on the proposed
work plan of the project
of scientific initiation, whose imprint at this stage focuses on
the study of the
methodologies employed in conducting the tests and calibration
of sensors of
precipitation exist. Thus it is intended to obtain the knowledge
to create a system for
calibration of ombrometer Tipping-Bucket type used by the
National Institute for Space
Research (INPE) in their Automatic Weather Stations.
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SUMRIO
1.
INTRODUO.........................................................................................................05
3 MATERIAL E
MTODOS.......................................................................................06
3.1. MTODOS DE SISTEMAS DE CALIBRAO E TESTES.............07
3.1.1. Bancada de Calibrao de Overgaard; El-Shaarawi &
Nielsen (1998)..........07 3.1.2. Bancada de Calibrao Braga.
(2005)...............................................................09
3.1.3. Bancada de Calibrao de Humphrey et al.
(1997)..........................................10 3.1.3. Bancada
de Calibrao Alexandropoulos & Lacombe
(2005).........................12 3.1.4. Bancada de Calibrao Lanza
& Stagi
(2006)..................................................13
3.2. UM MTODO ANALTICO DE
CALIBRAO...............................15
3.2.1. Aplicao Metodolgica: Estudo de
Caso.........................................................15
3.2.2. Curvas de
Calibrao..........................................................................................16
4 RESULTADOS E
ANLISES..................................................................................17
5
CONCLUSES...........................................................................................................18
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1. INTRODUO
Pelo fato da capacidade de interferncia da precipitao sobre as
atividades
urbanas e rurais ocorrente nas mais distintas reas e devido ao
custo de manuteno das
estaes convencionais cada vez mais observaram a implementao das
Estaes
Meteorolgicas Automticas (EMA) no intuito do monitoramento
meteorolgico e
climtico no mbito nacional e global. Neste estudo os
instrumentos tomados como
foco, voltados anlise da pluviometria, so chamados de
Tipping-Bucket Rain Gauge,
conhecidos em portugus por: pluvimetros de caamba de
basculamento.
O objetivo nesta etapa do trabalho de iniciao cientfica
respaldar o estudo
das metodologias empregadas na realizao da calibrao e testes dos
sensores de
precipitao existentes
Dessa forma, importante ressaltar a valia que a calibrao
desses
instrumentos para que realizem medies da pluviosidade das
diversas escalas de rea
coerentes com a realidade. Conforme Mata (1984, p.64) e Ometto
(1981, p.193) apud
Santos, A. e Santos M. (2008), estas medies possibilitam o
conhecimento da
quantidade de gua disponvel em uma rea qualquer e colaboram para
a modelagem do
comportamento da pluviosidade nas diversas regies. De acordo com
a Organizao
Mundial de Meteorologia- OMM, (Captulo 5, Parte III, p. 4):
Calibrao o conjunto de operaes que estabelecem, sob condies
especficas, a relao entre os valores indicados por um
instrumento de
medio ou sistema de medio e os correspondentes valores
conhecidos de
um mensurando, isto , uma quantidade sujeita a medio.
Dessa forma notamos que a calibrao se vale da intercomparao
entre
instrumentos no intuito de colocar um deles de acordo com os
valores (aproximados) do
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outro (considerado como padro de anlise). Assim, os
procedimentos utilizados para a
calibrao dos pluvimetros permitem a escolha e a correo de um
sistema de
aquisio de dados pluviomtricos de forma que diminuamos o erro do
pluvimetro
medido na comparao com os valores do instrumento de medio
padronizada, no
caso, do pluvimetro Ville de Paris.
3. MATERIAIS E MTODOS
As atividades no perodo de 3 de Maro de 2008 30 de Junho de
2009
concernentes efetivao da proposta do plano de trabalho (Quadro
1) buscam o
baluarte terico relativo a temtica da montagem de um sistema de
calibrao e testes de
sensores de precipitao em artigos cientficos e em sites de
empresas voltadas criao
e manuteno de instrumentos para pluviometria.
Quadro 1: Plano de trabalho proposto para sistematizao das
etapas
1. Estudos dos princpios de medidas de precipitao atmosfrica; 2.
Estudos do conhecimento dos sensores de precipitao existentes e
seus princpios de
funcionamento;
3. Estudo e identificao de mtodos e procedimentos utilizados
para calibrao e testes
de pluvimetros;
4. Identificao de Equipamentos e produtos existentes no mercado
nacional e
internacional utilizados na calibrao e testes de pluvimetros do
tipo tipping-bucket;
5. Gerar Documentao detalhada dos itens anteriores, incluindo
planilha de custos e
equipamentos e servios necessrios implementao de um sistema para
calibrao de
pluvimetros do tipo analisado.
As atividades procedem no perodo supracitado nas instalaes da
sede do
INPE no Rio Grande do Norte, Natal/RN, especificamente nas salas
24, 25, 20
pertencentes Seo Gama.
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A proposta posta pelas etapas 1 e 2 do trabalho mostrou-nos como
procedemos
para a coleta e medio de dados ligados precipitao, no intuito de
esclarecer e
auxiliar no entendimento quanto a importncia dessas medidas para
a modelagem da
varivel chuva no respaldo das dinmicas sociais. Alm de
apresentar os distintos
instrumentos utilizados na aquisio desses dados, tais como:
pluvimetros
convencionais, automticos (snicos e caamba de basculamento) e
radares. Estes foram
apresentados no primeiro relatrio final apresentado no ano de
2008.
Alguns mtodos e procedimentos e produtos utilizados das etapas 3
e 4 foram
realizadas alm de estarem em procedimento so respaldadas neste
relatrio. A questo
da planilha de custo fato interessante, pois variam de acordo
com o preo das cotaes
do dlar, portanto so variveis. Consideramos, portanto, pea de
menor importncia no
trabalho desenvolvido.
3.1. MTODOS DE SISTEMAS DE CALIBRAO E TESTES
Para a criao de um sistema de gesto calibrativo, observamos que
o mtodo
praticamente o mesmo utilizado entre os diversos autores. Este
mtodo d-se na
utilizao de instrumentos, tais como: bomba peristltica, suporte
padro, reservatrio
de gua em nvel constante, balana de preciso, computador,
procedimentos
estatsticos e softwares criados na finalidade da simulao dos
fluxos da gua no
pluvimetro e correo (reduo) estatstica do erro.
3.1.1. Bancada de Calibrao de Overgaard; El-Shaarawi &
Nielsen (1998)
Os pluvimetros testados por esses estudiosos foram 5 (cinco)
pluvimetros
modelo RIMCO com canais de tamanhos distintos quando
comparamo-os com o
pluvimetro convencional do tipo Hellmann utilizado como padro
pelo Comit de
Controle da Poluio da gua da Dinamarca - DWPCC.
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Em seus trabalhos, esses autores verificaram que existe uma
relao entre o
volume do canal e a preciso dos pluvimetros quando comparados
nas medies
volume e intensidade. Observamos no estudo, que o volume
necessrio para o
desempenho satisfatrio do pluvimetro deste modelo empregado pelo
DWPCC
aquele em que o volume do canal seja inferior a metade do
tamanho da caamba, ou
seja, entre 35%-45% do volume da caamba.
O canal permite a conduo de maneira controlada da gua at as
caambas,
porm depende da intensidade das chuvas. Por isso notamos a
importncia em que est
em encontrar o volume do canal mais apropriado.
Notamos que, de acordo com esses pesquisadores, obedecendo a
esses
requisitos poderemos chegar relao de proximidade linear entre o
pluvimetro
automtico a ser escolhido e o considerado como padro. De acordo
com o exposto no
artigo, verificamos que nos testes laboratoriais usou-se de: uma
bomba peristltica, uma
balana eletrnica, veja a Figura 2.
A bomba usada para produzir uma intensidade de chuva controlada,
na
qual fornecida ao modelo RIMCO. A balana usada para verificar o
valor da
precipitao coletada. Desse modo como eles afirmam sabendo o
nmero de quedas
por intervalo de tempo, e sabendo o valor do volume da gua e
quais as causas da queda
da caamba, a intensidade pode ser facilmente calculada.
Figura 2: Calibrao de pluvimetro.
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A anlise estatstica implementada no estudo apresentado no artigo
baseada
na Anlise de Varincia, onde o nmero de quedas das bsculas usado
para anlise de
varincia.
3.1.2. Bancada de Calibrao Braga. (2005)
Braga utilizou o pluvimetro da Global Water modelo RG200 (Figura
1) para a
calibrao. Para tal, observamos que este o conectou a um
datalogger modelo GL300 e a
um dispositivo criado funcionando no mesmo princpio de uma bomba
peristltica
(goteja gua de maneira controlada sobre o pluvimetro), uma vez
que no havia
disponibilidade de uso desta.
Braga tambm utilizou em seu experimento uma bureta comum com
capacidade para 100 ml fixada em uma haste suporte, um
reservatrio com capacidade
para 5 litros, que, por sinfonagem realimenta o sistema ao longo
do experimento. A
gua coletada pelo Tipping Bucket passa e se acumula ao final em
um balo volumtrico
de fundo chato de capacidade para 1L. No final de todo o
processo, o volume resultante
no balo era medido. Podemos observar o sistema pela figura 3
(foto 1) abaixo:
Figura 3: Calibrao do pluvimetro por Michelloto
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Importante frisarmos que a gua utilizada no experimento era gua
deionizada,
uma vez que a pequena torneira de vidro que controla o
gotejamento da bureta tende a
entupir-se em caso da utilizao de gua comum, alterando [...] a
velocidade de
gotejamento (BRAGA, 2005, p. 109).
Foto 1: Bancada de calibrao de Michelotto (2005)
Em sua anlise dos dados feitos pelo teste do pluvimetro
comparando-os aos
valores informados pelo fabricante, notamos que Braga encontrou
diferena entre os
valores de 20% com relao aos dados informados. O que um fator a
levarmos em
considerao. Alm de observar que a intensidade da precipitao
influi na resposta do
sensor.
3.1.3. Bancada de Calibrao de Humphrey et al. (1997)
A bancada de calibrao de Humphrey et al (1997, p.1514) utiliza
em seu
sistema: computador, bomba, balana digital programvel,
datalogger, suporte padro,
balo coletor, distribuio RS232, reservatrio de gua em nvel
constante (figura 4).
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O computador interfaciado a bomba atravs de uma porta serial e
tambm
interfaceada a balana (durante a calibrao da bomba) ou ao
datalogger (durante a
calibrao do pluvimetro usando uma segunda porta serial e
distribuio.
Neste processo, dois mtodos de calibrao so utilizados no qual o
autor
denomina de calibrao esttica e calibrao dinmica. Para o mtodo de
calibrao
esttica de acordo com Humphrey (1997, p 1513):
O pluvimetro nivelado, a caamba ajustada at a aplicao de um
volume especfico de gua (usualmente adicionado caamba gota por
gota
usando uma pipeta) que cause a queda da caamba. Este
procedimento
repetido vrias vezes para cada caamba, e um volume mdio para
ambas as
caambas calculado. Os volumes medidos das caambas podem variar
em
5% dependendo do tipo de gua usada (pluviais versus gua da
torneira).
Para o mtodo da calibrao dinmica procura contabilizar o
baixo
represamento da gua calibrando o TBR enquanto as caambas esto em
movimento.
De acordo com Calder e Kidd (1978) apud Humphrey et al. (1997,
p. 1514)
baseados na determinao dos parmetros de medio V (volume da
caamba) e t
( o tempo da caamba mover do estgio em posio virava para uma
posio que
coloca a diviso entre os segmentos da caamba diretamente abaixo
do funil interior).
Figura 4: Componentes do sistema de calibrao automtica do
pluvimetro
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Tanto a bomba peristltica como o pluvimetro so calibrados neste
sistema
em que ambas as calibraes, respectivamente, so controladas pelos
programas de
computador PUMPCAL e RAINCAL. Como o prprio Humphrey (1997, p.
1515)
afirma:
Quando o volume alvo para uma taxa tenha sido entregue para o
balo de
coleta, o equilbrio de leitura gravado e a bomba comea a
prxima
avaliao. A informao de calibragem (ou seja, escolha da bomba
de
avaliao, os volumes entregues, temperatura da gua, etc., entrada
pelo
usurio) e resultados da calibrao da bomba so salvos para um
usurio
especfico ASCII arquivo.
3.1.3. Bancada de Calibrao Alexandropoulos & Lacombe
(2005)
A bancada proposta por Alexandropoulos & Lacombe (foto 2),
ambos do
laboratrio de intercomparao de Trappes (Frana), compe-se de:
balana digital de preciso; bomba peristltica,
Ambos ligados a um PC com software especfico.
A gua injetada atravs de um tubo para as caambas por uma
bomba
peristltica (resoluo de 0,01g, com faixa de trabalho at 5Kg).
Esta bomba
controlada pelo computador, tanto para o seu fluxo iniciar como
para estacionar. Esta
bancada permite a gerao de uma gama de 3 mm/h at 2000 mm/h
intensidade sobre as
bsculas do pluvimetro.
De acordo com os autores, notamos que um software especfico
(no
identificado) controla a bomba, estabelece uma determinada
intensidade, conta um
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determinado nmero de gotejamentos, ou massa ou condutividade e
recebe a variao
da massa de gua no recipiente (sobre a balana). A quantidade de
precipitao nas
bsculas medida em comparao com a diminuio da massa sobre o saldo
e calcula a
diferena expressa em porcentagem. A incerteza associada calibrao
de cerca de
1%.
Para os testes, estes adotaram sete referncias de intensidades
fixadas, dando
importncia para as intensidades maiores, uma vez que so de maior
valia no estudo da
intercomparao. As faixas de trabalho foram estabelecidas em: 2,
20, 50, 90, 130, 170,
200 mm/h.
Foto 2: Bancada de calibrao: balana de preciso (seta preta);
bomba peristltica (seta azul).
3.1.4. Bancada de Calibrao Lanza & Stagi (2006)
A metodologia adotada baseada na gerao de um fluxo (caudal) de
gua em
um canalizador que deve estar dentro da gama de funcionamento
relatado pelo
fabricante do instrumento.
A gua canalizada utilizando um coletor do instrumento, sob
controle, para
simular a intensidade da chuva constante. O fluxo medido pelo
peso da gua em um
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determinado intervalo de tempo. O sinal de sada do instrumento
medido a intervalos
regulares ou quando um pulso proveniente do instrumento em si.
Ento, comparada a
duas medidas a partir da chuva e do simulador da chuva
determinada a diferena entre
o fluxo real de gua transportada atravs do instrumento e da
intensidade da
precipitao medida pelo pluvimetro (figura 5).
Figura 5: Esquema da Bancada de Calibrao Lanza & Stagi
(2006).
A diferena relativa entre as duas medidas tomada como o erro
relativo do
instrumento para a medida (intensidade) de referncia atribuda. A
medio da
intensidade da chuva influenciada pelo tempo de resposta do
sistema de aquisio.
A durao do ensaio e da extenso da massa foram os fatores para
determinar o
controle de erro em cada teste. Os valores de referncia de massa
e comprimento foram
escolhidos de forma que a incerteza da intensidade de referncia
inferior a 1%, tendo
em conta a resoluo do instrumento. Cada teste foi realizado em
pelo menos sete
intensidades distintas.
Em particular, observamos que os autores colocam as sete
intensidades de
referncia para o estudo como sendo: 2, 20, 50, 90, 130, 170 e
200 mm h-1, mensurveis
e onde a mxima declarada pelo fabricante inferior ou igual a 500
mm h-1,
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Finalmente, acima deste limite foi identificada trs referncias
adicional
intensidade dentro da gama de funcionamento do instrumento
obtido pela diviso
logartmica relao com o intervalo de medio entre 200 e mm h-1 a
intensidade
mxima declarao.
3.2. UM MTODO ANALTICO DE CALIBRAO
Procedemos com um estudo de caso por meio de mtodos estatsticos
tais
como: correlao dada pelo coeficiente de Pearson, regresso e
coeficiente de
determinao.
A correlao mostra a relao de proximidade entre os dados,
variando de 0 a
1, quanto mais prximo de 1 melhor a correlao. J a regresso um
mtodo que
permite apresentar a relao de uma varivel dependente (no caso do
estudo o
pluvimetro PC04) com a varivel especfica (no caso o pluvimetro
padro Ville de
Paris).
O coeficiente de determinao uma medida da proporo da
variabilidade em
uma varivel que explicada pela variabilidade da outra, portanto
esta depende da
correlao apresentada pela composio dos dados de referncia padro
e os tomados
para averiguao frente a esse padro.
3.2.1. Aplicao Metodolgica: Estudo de Caso
Uma aplicao metodolgica, neste projeto, foi obteno de dados
comparativos para a calibrao dos instrumentos de medio da
precipitao, a partir do
pluvimetro padro Ville de Paris, instalado na Estao Climatolgica
da UFRN, para
que comparssemos com o pluvimetro de uma estao de fabricao da
Global Water
localizada, tambm, na rea da estao convencional.
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Para tanto, instalamos um pluvimetro RG 200 6 (Figura 1) da
Global Water,
cuja resoluo est em 0.01 polegadas, tipo Tipping-Bucket, junto
ao Laboratrio de
Variveis Ambientais Tropicais LAVAT/CRN/INPE vizinho a estao
meteorolgica convencional da UFRN. Na sistematizao da coleta de
dados, optou-se
por intervalos de tempo de 30 minutos entre os dias 09/05/09 e
11/05/09. Para cada
anlise os pluvimetros verificados denominam-se de PC04 UFRN, a
que tomada por
referncia o pluvimetro Ville de Paris.
Figura 1: Pluvimetro modelo RG 200 da Global Water
Valemo-nos, neste estudo, das recomendaes da OMM (2008) quanto
a
validade observacional dos dados s pode ser obtida quando um
exaustivo programa de
controle de qualidade (CQ) se aplica aos instrumentos e as redes
uma vez que esta
instituio versada pela ISO (Organizao Mundial de Normatizao)
busca pela
padronizao de sistemas e aes.
3.2.2. Curvas de Calibrao
Procuramos avaliar uma equao de calibrao a partir de teorias da
estatstica,
conforme item 3.2, a fim de corrigir distores no pluvimetro da
Global Water.
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4. RESULTADOS E ANLISES
Observamos por meio dos clculos que a equao calibrativa do
pluvimetro
denominado de PC04 (a qual queremos calibrar) frente ao
pluvimetro Ville de Paris
apresentado pela equao:
Y = 0, 223PCO4 + 0, 0054
Onde o Y corresponde aos valores obtidos pelo pluvimetro Ville
de Paris.
Podemos averiguar a medida de disperso apresentada entre estes
pluvimetro
pelo grfico 1 abaixo:
Grfico 1: Disperso dos dados medidos ao padro
Notamos que o coeficiente de determinao apresenta correlao
estranha,
devidamente por erros instrumentrios no pluvimetro PC04.
Entendemos, portanto, que tanto a mecnica como a insuficincia de
dados
contriburam para a estranheza da equao na calibrao do
instrumento PC04.
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5. CONCLUSES
O resultado obtido com a pesquisa nos mostra que, como j
afirmado, os
princpios dos sistemas de calibrao so semelhantes, porm a
metodologia estatstica
e o mtodo de trabalhos da varivel chuva sobre o sistema so as
distines do
processo.
Com a pesquisa podemos tambm verificar a importncia da calibrao
nos
estudos ligados padronizao dos instrumentos de uma rede de
coleta de dados
ambientais.
A implementao do plano de trabalho proposto proporcionou um
aprofundamento da temtica, tornando possvel uma colaborao para
o
desenvolvimento de metodologias prprias para o contexto
nacional, utilizando para tal
os pluvimetros do tipo Tipping-Bucket.
O estudo de caso mostrou que possvel criar e/ou usar mtodos de
calibrao
disponveis na literatura, com uma boa acuidade.
A concluso das etapas postas pelo projeto o subsdio inicial
quanto s
pesquisas relativas contribuio para a cincia e para a criao de
um laboratrio com
um sistema de calibrao e teste de pluvimetros para o CRN/INPE,
entretanto se faz
necessrio a continuao de estudos uma vez que cada vez mais
surgem mtodos e
criaes de softwares que possibilitam os procedimentos
calibrativos mais eficazes na
reduo de incertezas do instrumento base do projeto o pluvimetro
do tipo Tipping-
Bucket.
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REFERNCIAS
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