Anais do XX Congresso Brasileiro de Automática
Belo Horizonte, MG, 20 a 24 de Setembro de 2014
UMA NOVA TÉCNICA DE CÁLCULO DE VELOCIDADE DO VENTO PARA
ANEMÔMETROS ULTRASSÔNICOS BASEADA NA FUSÃO DE DADOS ENTRE
MÚLTIPLOS TEMPOS DE TRÂNSITO E CORRELAÇÃO CRUZADA ENTRE
ENVOLTÓRIAS DE RECEPÇÃO
Lucas de Souza Ribeiro∗, David Pereira Silva Junior∗, Maurı́cio Moreira∗, Alex Lemes
Guedes∗, José Alexandre de França∗, Maria Bernadete de Morais França∗
∗
Instituto de Tecnologa e Desenvolvimento Econômico e Social - ITEDES
Av. Pres. Castelo Branco, 655, Londrina, PR, 86061-335, Brasil
Emails: [email protected], [email protected],
[email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]
Abstract— The wind speed is important for many areas such as aviation, agriculture, construction, wind
energy generation and transmission of electricity. Various technologies can be used to measure the wind velocity,
with different operating principles and distinct advantages and disadvantages.In this paper, wind speed measurement technologies based on ultrasound were addressed. These technologies do not have moving parts and can
have good accuracy and precision, depending on the measurement technique used. Based on techniques presented
in other studies, a new technique to measure the wind speed was developed. Is expected an operational range of
hundreds of km/h. It consists of a fusion of techniques based on transit time measurement by zero crossing and
by envelope detection. It showed good accuracy in the practical tests and has an enhanced energy performance.
Experiments on wind tunnel were performed and the data were validated by a commercial anemometer. As a
result, the technique showed maximum deviation of 3.25 km/h and RMS error of 1.21 km/h in relation to data
obtained by the commercial anemometer for wind speed range from 0 to 37.9 km/h.
Phase Diference (PD), ultrassonic transducer, Envelope detection, Zero crossing.
Keywords—
Resumo— A velocidade do vento é uma variável importante para muitas áreas, como aviação, agricultura,
construção civil, geração de energia eólica e transmissão de energia elétrica. Várias tecnologias podem ser
utilizadas para medir a velocidade do vento, com princı́pios de funcionamento diferentes que apresentam vantagens
e desvantagens distintas. Neste trabalho, foram abordadas tecnologias de medida de velocidade do vento baseadas
em ultrassom, que não apresentam partes móveis e pode possuir boa precisão e exatidão, dependendo da técnica
de medida utilizada. Baseada em técnicas apresentadas em outros trabalhos, foi desenvolvida uma nova técnica
para medir a velocidade do vento. Espera-se uma faixa operacional de centenas de km/h. Ela consiste na fusão
de técnicas baseadas em medida de tempo de trânsito por cruzamento por zero e por detecção de envoltória.
A técnica apresentou boa exatidão e precisão nos testes práticos, além de possuir um desempenho energético
aprimorado. Foram realizados experimentos com túnel de vento, e os dados obtidos foram validados por um
anemômetro comercial. Como resultado, a técnica apresentou desvio máximo de 3,25 km/h e erro RMS de 1,21
km/h em relação aos dados obtidos pelo anemômetro comercial para uma faixa de velocidade do vento de 0 a
37,9 km/h.
Palavras-chave—
zero.
1
Diferença de Fase (DF), Transdutor ultrassônico, Detecção de envoltória, Cruzamento por
por uma estrutura que capta o fluxo de ar em movimento (hélices ou conchas) (Kristensen, 1993)
. Este é o anemômetro mais simples e popular,
entretanto possui aplicação restrita devido a algumas limitações. Por exemplo, ele apresenta uma
baixa sensibilidade a rajadas de vento de curta
duração, devido à inércia da estrutura móvel.
O anemômetro baseado no princı́pio termoelétrico usa a troca de calor para determinar a velocidade do fluido e a versão mais conhecida desse tipo
de anemômetro é o a fio quente (Bruun, 1996).
Nele, um fio condutor (sensor) é aquecido por
uma determinada técnica de excitação e exposto
em contato com o ar, onde deseja-se medir a velocidade do vento. A passagem do vento retira
calor deste fio e esta diminuição de calor é convertida em uma grandeza elétrica, cuja medida é
proporcional à velocidade do vento. Nos métodos
de excitação usados para este tipo de anemômetro
pode-se manter uma grandeza elétrica constante
Introdução
O conhecimento da velocidade de ventos é de
grande importância para várias aplicações, dentre elas pode-se citar a aviação, a agricultura, a
construção civil, a geração de energia eólica e a
transmissão de energia elétrica. Nesta última aplicação, o conhecimento da velocidade dos ventos é
importante para a especificação e/ou manutenção
de torres e cabos de transmissão de energia, visando o menor impacto quanto ao tombamento
dessas estruturas.
Os equipamentos capazes de medir a velocidade dos ventos são chamados de anemômetros,
que podem ser baseados em diferentes princı́pios
de funcionamento. Dentre os anemômetros eletrônicos, os princı́pios mais conhecidos são o rotacional, termoelétrico e ultrassônico.
O princı́pio rotacional é baseado na velocidade
angular de um rotor que pode ser impulsionado
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(tensão, corrente ou potência) e a velocidade do
vento é calculada em função da temperatura do
fio (sensor) (Sarma, 1993). Outra forma é medir
a corrente elétrica necessária para manter a temperatura do sensor constante, assim a velocidade
do vento é dada como uma função dessa corrente
(Freymuth, 1967). Como vantagens desse tipo de
anemômetro pode-se citar seu tamanho reduzido,
em comparação com o rotacional, e sua sensibilidade para baixas velocidades de vento. Como desvantagens, tem-se sua fragilidade e necessidade de
re-calibrações constantes, devido a seus parâmetros serem sensı́veis à partı́culas de poluição depositadas no fio, o que limita seu uso em ambientes
externos e abertos.
Com o avanço da microeletrônica no mundo,
alguns trabalhos estão sendo realizados a fim de
desenvolver novas propostas para medição de velocidade e direção do vento baseadas em micro
estruturas, conhecidas como MEMS (MicroElectroMechanical Systems). Dentre esses trabalhos,
pode-se citar Wu et al. (2011), Liu et al. (2009),
Du et al. (2009) e Puczylowski et al. (2011).
O anemômetro ultrassônico é baseado no princı́pio de que o tempo que uma onda sonora emitida por um transmissor demora para chegar até
um receptor é dependente da velocidade de deslocamento do ar entre o transmissor e o receptor
(Villanueva et al., 2009). Ao medir esse tempo,
também chamado de tempo de trânsito, é possı́vel
calcular a velocidade do deslocamento do ar. Para
isso, existem diferentes técnicas de instrumentação e de processamento de dados para determinar
o tempo de trânsito, como diferença de fase (DF),
threshold-detection (TH) e técnicas baseadas em
correlação de sinais (Hauptmann et al., 2001; Andria et al., 1998; Beck, 1981). Em outro trabalho,
foi desenvolvida uma técnica baseada na fusão das
técnicas DF e TH (Villanueva et al., 2009). A
técnica DF apresenta boa exatidão e precisão, porém, possui uma faixa de operação estreita, impossibilitando o seu uso para situações com grandes variações de velocidade do vento (Villanueva
et al., 2009). Já a TH apresenta menor precisão
que a DF, pois fatores que causam atenuação do
sinal sonoro transmitido podem afetar o seu funcionamento, porém possui uma faixa operacional
maior. As técnicas baseadas em correlação de sinais apresentam menor exatidão que as técnicas
TH e DF, porém não necessitam que o sinal sonoro seja transmitido de forma contı́nua durante a
medição da velocidade do vento, o que é necessário
nas outras técnicas. Isto proporciona menor consumo de energia. No trabalho de Villanueva et al.
(2009), a fusão das técnicas DF e TH resulta em
boa exatidão e precisão, mesmo em uma faixa de
operação maior do que a permitida para a técnica
DF. Porém, uma desvantagem desta técnica é que
ela exige a transmissão contı́nua do sinal sonoro
durante a medição.
A
Z
X
Y
B
d AB
Figura 1: Posicionamento do par de transdutores.
Neste trabalho, é proposta uma nova técnica
que apresenta boa exatidão, conforme os experimentos realizados, e que não necessita de transmissão contı́nua do sinal ultrassônico durante a
medida da velocidade do vento. Isto proporciona
melhor eficiência energética em comparação com
a técnica proposta por Villanueva et al. (2009). A
técnica proposta aproveita algumas caracterı́sticas
das técnicas DF e TH, e utiliza um tratamento digital em conjunto com a correlação cruzada de sinais para garantir exatidão e precisão. Os resultados apresentados são preliminares, porém validam
a técnica desenvolvida.
2
Fundamentos
Nesta seção serão apresentados os equacionamentos e as técnicas utilizadas no desenvolvimento da
nova técnica sugerida por este trabalho.
As técnicas a seguir são utilizadas para medir a velocidade do vento por meio de transmissão
de ondas de ultrassom. O tempo em que a onda
transmitida demora para percorrer uma distância
fixa pelo ar varia conforme a velocidade do som
atmosférico e a velocidade do vento entre o transmissor e o receptor. Foram utilizados transdutores
de ultrassom que podem atuar como receptores ou
transmissores.
A Figura 1 mostra como os transdutores foram posicionados neste trabalho, com uma distância dA B entre eles.
Os sinais utilizados nas técnicas descritas a seguir estão demonstrados na Figura 2. O sinal superior é utilizado para acionar os transdutores de
ultrassom a uma frequência de 25,3 kHz durante
a transmissão. Então, após um tempo Tt , o sinal
de ultrassom emitido chega ao outro transdutor,
receptor, que transforma a onda sonora em um sinal elétrico, conforme a curva vermelha da Figura
2. Este sinal possui duas formas de informação
necessárias para as técnicas utilizadas. Uma delas
são os tempos, representados por TABmed , em que
ocorrem os cruzamentos por zero volts no sinal de
recepção, detectado por um comparador que gera
o sinal digital inferior da Figura 2 em azul. Outra forma de informação é a amplitude do sinal
de recepção, a envoltória, utilizada na correlação
cruzada, explicada na Seção 2.2.
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(3) em (2), obtém-se após algumas operações algébricas
Tt
TAB atr
VAB =
TAB med
0
0.5
1
Tempo (ms)
1.5
Medição de velocidade do vento pelo cruzamento por zero
VAB = −
dAB
− Vsom ,
TABmed − TABatr
dAB
+
TBAmed − TBAatr
q
2
Vsom
− VY2 − VZ2 ,
(5)
onde TBAmed é o tempo entre a emissão e a geração de um dos pulsos de recepção gerados pelo
comparador, no sentido de B pra A, e TBAatr é a
diferença entre o tempo de trânsito do sinal emitido e o tempo TBAmed .
Ao fazer a média dos valores obtidos em (4) e
(5), o resultado é
Ao medir o tempo entre a emissão e cada borda
de subida do sinal de saı́da do comparador, é possı́vel calcular a velocidade do vento, VAB entre o
transdutor emissor e o transdutor receptor. Considerando que o sentido do vento seja paralelo ao
eixo formado pela distância entre os transdutores
A e B:
VAB =
q
2
Vsom
− VY2 − VZ2 .
(4)
Essa equação é mais genérica que a Equação (1),
podendo ser utilizada mesmo quando o sentido do
vento não é paralelo ao eixo entre os transdutores
A e B. Porém, é necessário conhecer os valores de
Vsom , VY e VZ .
Em outro caso, quando é realizada a transmissão do sinal de ultrassom no sentido contrário, ou
seja, quando B é emissor e A é receptor, obtém-se
Figura 2: Sinais de acionamento, recepção e comparação.
2.1
dAB
−
TABmed − TABatr
(1)
.
(6)
Neste caso, conhecendo os valores de TABmed ,
TABatr , TBAmed e TBAatr , não é necessário conhecer os valores de Vsom , VY e VZ para encontrar
o valor de VAB . Por isso, neste trabalho, para
descobrir a velocidade do vento paralelo ao eixo
formado pelos transdutores A e B, são realizadas
duas transmissões em sentidos opostos.
A Equação (3) apresenta como é obtido o valor do tempo de trânsito. Esta variável é dependente da velocidade do vento. TABatr é um valor
constante, determinado pela escolha do pulso de
referência da saı́da do comparador, neste caso, o
pulso que ocorre quando a envoltória do sinal de
recepção possui valor máximo para quando não há
vento, visto na Figura 2. O mesmo é valido para
TBAatr , quando é realizada a transmissão e recepção no sentido contrário. Para garantir exatidão
e precisão para a medida de TABmed , é estipulado
um tempo de referência, Tref , que é o perı́odo entre a transmissão e a ocorrência de um dos pulsos
de recepção para velocidade do vento igual zero
(Figura 3). Para as medidas seguintes, com velocidade do vento diferente de zero, é escolhido como
pulso correto o que possuir o tempo de ocorrência mais próximo de Tref , que é o mesmo pulso
escolhido no passo anterior, porém deslocado (em
vermelho na Figura 3).
Essa técnica tem como desvantagem uma
baixa faixa de operação, sendo eficiente somente
para baixas velocidades de vento. Isto ocorre pois
o pulso de recepção escolhido, em condições ideais, pode deslocar somente meio perı́odo de sua
VAB =
onde: dAB é a distância entre os transdutores, Figura 1; TABmed é o tempo entre a emissão e a geração de um dos pulsos de recepção gerados pelo
comparador, por exemplo, o pulso em que ocorre o
máximo da envoltória do sinal de recepção (Figura
2); TABatr é a diferença entre o tempo de trânsito
do sinal emitido e o tempo TABmed (Figura 2);
Vsom é a velocidade do som.
Quando o sentido do vento não é paralelo ao
eixo entre os transdutores, podendo ser decomposto em uma soma de dois vetores, vetor paralelo
ao eixo e vetor perpendicular ao eixo, a Equação
(1) não pode ser utilizada. Para obter uma equação válida, deve-se considerar a equação exposta
no trabalho de Schotland (1955),
(X − VX · Tt )2 +(Y − VY · Tt )2 + (Z − VZ · Tt )2
= (Vsom Tt )2 ,
(2)
onde: X, Y e Z são as coordenadas da posição do
receptor em relação ao emissor em um plano cartesiano tridimensional; VX , VY e VZ são os valores
das magnitudes obtidas pela decomposição vetorial da velocidade do vento; Vsom é a velocidade
do som; Tt é o tempo de trânsito do sinal emitido,
ou seja,
Tt = TABmed − TABatr .
(3)
Considerando que o par de transdutores A e B
localizam-se sobre o eixo X de um plano cartesiano
tridimensional, com uma distância dAB entre eles,
sendo A o emissor e B o receptor, e substituindo
436
dAB
2
1
TABmed −TABatr
−
1
TBAmed −TBAatr
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Tref
sentará valor máximo para n 6= 0, deslocado no
mesmo sentido do deslocamento dos sinais.
Considerando que as envoltórias dos sinais de
recepção para velocidades de vento diferentes sejam idênticas, porém defasadas no tempo devido
os diferentes tempos de transito do sinal de recepção, ao realizar a correlação cruzada entre a
envoltória do sinal de recepção quando a velocidade do vento é zero e a envoltória do sinal de
recepção quando o valor do vento é diferente de
zero, pode-se encontrar o deslocamento do sinal
de recepção provocado pelo vento, que é proporcional à posição em que ocorre o valor máximo da
correlação cruzada entre estas envoltórias,
VREF = 0 km/h
VA > 0 km/h
VB > V A
VC < 0 km/h
VD < V C
Tempo
Figura 3: Sinais de saı́da do circuito de comparação para velocidades de vento diferentes. As bolas
pretas indicam os pulsos mais próximos de Tref .
Os pulsos corretos são vermelhos. Os casos VA e
VC representam casos em que não houve erro. Já
os casos VB e VD , os pulsos errados foram escolhidos.
Nmax = round((Tt − Ttzero ) · famostragem ), (8)
onde round() é função de arredondamento, Ttzero
é o tempo de transito do sinal de ultrassom entre
os transdutores quando a velocidade do vento é
zero, Tt é o tempo de trânsito do sinal ultrassônico
para uma velocidade do vento diferente de zero
e famostragem é a frequência em que o sinal da
envoltória foi amostrado.
Como Ttzero é um tempo constante, considerando Vsom constante, ao analisar o vetor obtido pela correlação cruzada entre envoltórias e
identificar a posição do elemento com maior valor
(Nmax ), ao realizar algumas operações algébricas
na equação 8, é possı́vel encontrar o valor Tt aproximado, apresentando erro amostral devido a discretização do sinal,
frequência, que é igual à frequência de acionamento do emissor, sem que haja detecção errônea
(casos VB e VD da Figura 3). Quando o pulso de
referência possui um deslocamento temporal superior a meio perı́odo, outro pulso possui um tempo
de ocorrência mais próximo do tempo estipulado,
e não o pulso correto. Neste caso, TABmed é tempo
total entre a transmissão e a ocorrência do pulso
errado mais próximo do tempo estipulado. Como
TABatr e TBAatr possuem valores fixos, o valor calculado para o tempo de trânsito possui um erro
igual ao perı́odo entre os pulsos de recepção, ou
seja, para uma transmissão a uma frequência fac ,
1
o erro é ± fac
.
2.2
Tt ≈ Ttzero +
A correlação cruzada discreta é muito utilizada
para encontrar padrões em um vetor de números.
Ela dá como resultado um vetor com os valores
proporcionais à similaridade entre dois sinais, e
cada valor deste resultado representa a somatória
dos pontos resultantes da multiplicação pontual
entre os dois sinais, sendo que um destes sinais
possui um deslocamento proporcional à posição
do resultado relacionado da correlação cruzada.
Em outras palavras, a correlação cruzada é, por
definição,
+∞
X
f ∗ [m] · g[m + n],
(9)
Dessa forma, como Ttzero e famostragem são valores conhecidos e Nmax é obtido pela análise da
correlação cruzada, obtendo Tt pela Equação (9),
é possı́vel calcular a velocidade do vento com a
Equação 6 e 3.
Além do erro amostral, outro erro associado
a esta técnica é a deformação da envoltória provocada pelo vento (visı́vel na Figura 6, Seção 4),
que pode alterar a resposta da correlação cruzada.
Isso diminui a exatidão da velocidade do vento
calculada por este método e, por isso, não é utilizada como resposta do sistema. Essa velocidade
do vento calculada é utilizada para encontrar a
velocidade correta na técnica proposta neste trabalho.
Medição de velocidade do vento por correlação cruzada
(f ⋆ g)[n] =
Nmax
.
famostragem
(7)
3
m=−∞
onde f e g são os sinais analisados e f ∗ é o complexo conjugado de f .
Ao realizar a autocorrelação, ou seja, a correlação cruzada de dois sinais iguais, é obtido um
vetor com o valor máximo em n = 0, quando f e
g estão em fase e possuem máxima similaridade.
Porém, se um destes sinais, f ou g, sofrer um deslocamento, a correlação cruzada entre eles apre-
Técnica proposta para aumentar a
precisão e exatidão da medição de
vento
Para aumentar a precisão e a exatidão das técnicas
citadas anteriormente, para uma faixa de velocidade do vento maior, foi desenvolvida a técnica
descrita a seguir. Ela consiste em analisar uma
série de pares de pulsos que podem resultar no calculo do valor correto para a velocidade do vento
437
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entre os transdutores A e B, utilizando a técnica
da Seção 2.1. Estes pares são filtrados por regras
que devem ser satisfeitas. Dos pares remanescentes, é escolhido o par de pulsos cuja velocidade
do vento calculada com o uso dele possui o valor
mais próximo da velocidade calculada pela técnica
apresentada na Seção 2.2. A velocidade do vento
calculada com este par de pulsos é o resultado final
da técnica proposta. A seguir, são apresentados os
detalhes dessas operações.
3.1
Figura 4: Túnel de vento utilizado nos experimentos com os anemômetros.
Análise dos pares de pulsos
Para medir a velocidade do vento com a exatidão
da técnica apresentada na Seção 2.1, porém para
uma faixa de velocidade de vento maior, são armazenados os tempos dos cinco pulsos mais próximos
a Tref , para transmissão de ultrassom no sentido
AB e BA, resultando em dez valores de tempo.
Os cinco valores de tempo obtidos na transmissão
de A pra B são combinados com os cinco valores
obtidos pela transmissão de B pra A, em pares.
Então são obtidos 25 pares, referentes à TABmed
e TBAmed , utilizados para calcular 25 valores de
velocidade de vento. Somente um desses 25 resultados é desejado e apresenta o valor correto da
velocidade do vento. Por isso, são utilizadas duas
regras para filtrar os 25 pares de tempo obtidos:
2
2
2
VAB
+ Vperp
6 VMAX
;
(10)
Vperp ∈ R;
(11)
3.2
Os pares de pulsos que atendem as equações 10
e 11 são comparados com o resultado obtido pela
correlação cruzada entre a envoltória armazenada
no microcontrolador com a envoltória de recepção
digitalizada. Desta comparação, a velocidade do
vento obtida pelo par de pulsos que possui o valor
mais próximo da velocidade calculada a partir da
correlação cruzada é escolhida como resposta do
sistema.
4
e VMAX é a velocidade do vento máxima que pode
ser medida com essa técnica sem haver perda de
precisão e exatidão. VMAX está relacionada à
quantidade de tempo que o par de pulso correto
pode deslocar sem que haja a escolha do par de
pulso errado, equivalente à deficiência da técnica
citada anteriormente, porém com um faixa de deslocamento maior.
VMAX é definida por
dAB
dAB
Vsom
−
Npulsos ·fac
2
− Vsom ,
(13)
onde Npulsos é o número de pulsos analisados por
transmissão, que no caso deste trabalho são cinco,
e fac é a frequência de acionamento dos transdutores de ultrassom.
Vperp é obtido pela combinação das equações
(4), (5) e (12) por meio de operações algébricas
que resultam na equação
Vperp =
±
r
2
− 14 T
Vsom
dAB
ABmed −TABatr
−T
dAB
BAmed −TBAatr
2
Resultados Experimentais
Para validar o sistema proposto e a técnica desenvolvida, foram realizados ensaios em laboratório. Para isso, foi utilizado um túnel de vento,
desenvolvido para este trabalho, que pode ser visualizado na Figura 4. O controle de velocidade
do vento é realizado pela tensão que alimenta o
motor do túnel de vento, e a velocidade máxima
de operação é 37, 92Km/h. Para validar os resultados obtidos pelo equipamento desenvolvido,
foi utilizado um anemômetro comercial da Gill
Instruments, modelo Windmaster 3D, que possui
exatidão de 1,5% para uma velocidade do vento de
12m/s. O anemômetro desenvolvido foi calibrado
para trabalhar com uma distância de 20 cm entre
os transdutores. Os dois anemômetros foram inseridos simultaneamente no túnel de vento durante
os experimentos.
A Figura 5 mostra os sinais provenientes do
circuito desenvolvido. Os dados foram obtidos
com o auxı́lio de um osciloscópio. O primeiro gráfico, (a), mostra o sinal de acionamento sobre os
terminais do transdutor de ultrassom, composto
por 10 ciclos de onda quadrada com 20 V pico-apico. Desta forma, o sinal de ultrassom é gerado.
O gráfico (b) mostra o sinal de recepção retificado
(em vermelho) e o sinal de envoltória (em azul).
É possı́vel observar um atraso de fase entre a envoltória e o sinal retificado. Isto ocorre devido às
caracterı́sticas do filtro passa-baixas utilizado no
detector de envoltória. Além disto, é observada
a detecção do sinal transmitido no mesmo momento em que o transdutor emissor é acionado.
Isto é provocado por ruı́do eletromagnético e pelo
onde Vperp é o módulo da velocidade do vento perpendicular ao eixo AB formado pelos transdutores, também definido por
q
(12)
Vperp = VY2 + VZ2 ,
VMAX =
Comparação entre velocidades de vento
.
(14)
438
20
Tabela 1: Ensaio no túnel de vento.
0
−20
Output (V)
Output (V)
Output (V)
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0
0.5
1
Tempo (ms) (a)
1.5
0
0.5
1
Tempo (ms) (b)
1.5
0
0.5
1
Tempo (ms) (c)
1.5
Tensão
(V)
0
2
4
6
8
10
12
14
2
0
−2
Ret
Env
5
0
−5
Comercial
(km/h)
0,31
4,61
10,67
16,69
22,25
28,03
33,00
37,90
Projetado
(km/h)
-0,38
4,31
13,92
16,11
21,95
27,62
32,74
37,92
Desvio
(km/h)
-0,69
-0,30
3,25
-0,58
-0,30
-0,41
-0,26
0,02
40
35
Figura 5: Sinais do circuito desenvolvido: (a) sinal
de acionamento; (b) sinal de recepção retificado e
sinal do detector de envoltória; (c) saı́da do comparador.
Velocidade (km/h)
30
VAB = 0 km/h
25
20
15
10
Tensão (Unid. Arb.)
0
5
0
0
Anemômetro projetado
Anemômetro comercial
1
2
3
4
5
Tempo (minutos)
6
7
8
VAB = 37,2 km/h
Figura 7: Primeiro gráfico comparativo entre o
anemômetro comercial e anemômetro desenvolvido.
0
0
0.5
1
Tempo (ms)
1.5
comercial e desenvolvido, consistiu em aumentar
a velocidade do vento no túnel de vento gradativamente, por meio da tensão de alimentação, e
armazenar os dados colhidos pelos dois anemômetros. Os dados obtidos estão expostos na Tabela 1.
Como pode-se observar, o anemômetro desenvolvido apresentou uma resposta muito semelhante à
resposta do anemômetro comercial, apresentando
desvio máximo de 3,25 km/h e erro RMS de 1,21
km/h. Isso mostra a viabilidade da técnica desenvolvida e aprova a topologia do circuito utilizado.
Figura 6: Sinais de recepção para velocidades de
vento diferentes.
deslocamento do sinal sonoro pela armação de alumı́nio que posiciona os dois transdutores, na qual
a velocidade do som é muito superior do que no
ar. Também, pode-se ver o sinal gerado pelo sinal
de ultrassom que viajou pelo ar, que provoca o segundo aumento da amplitude do sinal de recepção,
a partir de aproximadamente 0,7 ms. O gráfico (c)
mostra o sinal de saı́da do circuito que detecta o
cruzamento por zero do sinal de recepção.
Foi realizado um teste para demonstrar os
efeitos que o sinal de recepção sofre com o vento.
Para isso, os transdutores foram posicionados com
uma distância de 80 cm entre eles para maximizar os efeitos. Foram realizadas duas transmissões
em velocidades de vento diferentes, 0 km/h e 37,2
km/h. A Figura 6 mostra o sinal de recepção para
cada caso. É possı́vel perceber o deslocamento da
envoltória. Além disto, o formato das duas envoltórias são ligeiramente diferentes, como pode ser
visto pela diferença de amplitude entre as caudas
das envoltórias dos sinais, o que interfere na resposta da correlação cruzada.
O primeiro ensaio utilizando os anemômetros
Para comparação gráfica direta entre o
anemômetro comercial e o projetado, foram feitos
experimentos nos quais variou-se aleatoriamente a
tensão aplicada ao motor DC do túnel. A partir
dos dados obtidos dos dois anemômetros, obtevese os gráficos das figuras 7 e 8.
Os gráficos da Figura 7 mostram uma semelhança satisfatória entre os anemômetros. A curva
em azul mostra os dados obtidos com o anemômetro do projeto, amostrada a uma taxa de 0,33 Hz,
e a curva em vermelho mostra os dados do anemômetro comercial, amostrado em 0,5 Hz. Devido às
diferenças na taxa de amostragem, pôde-se observar uma oscilação capturada pelo anemômetro comercial próximo aos 5 minutos, que não fora capturada pelo anemômetro do projeto, sem que isto
439
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km/h. É importante ressaltar que, apesar do sistema ter sido avaliado quantificando a velocidade
do vento em uma direção, ele pode ser empregado
para o desenvolvimento de anemômetros 3D. Os
resultados são preliminares. É necessário realizar uma avaliação da incerteza de medição. Além
disto, deve-se realizar um estudo comparativo entre diferentes técnicas para medição da velocidade
do vento. Por fim, testar a técnica em tuneis de
vento que produzam velocidades maiores, na ordem de centenas de quilômetros por hora, afirmaria sua validade operacional para medir velocidades elevadas.
40
Velocidade (km/h)
30
20
10
0
Anemômetro projetado
Anemômetro comercial
−10
0
2
4
6
8
Tempo (minutos)
10
Agradecimentos
Figura 8: Segundo gráfico comparativo entre o
anemômetro comercial e anemômetro desenvolvido.
Os autores agradecem a Eletrosul Centrais Elétricas S.A. pelo financiamento das pesquisas.
seja um problema, pois maiores taxas de amostragem também são possı́veis no anemômetro projetado.
Para uma análise gráfica mais direcionada
às comparações de amplitudes de velocidade,
procurou-se fazer um ensaio com trechos temporais mais longos em uma mesma velocidade, como
mostra a Figura 8. Por observação dos intervalos
temporais nos primeiros 8 minutos dos gráficos da
Figura 8, percebe-se uma boa equivalência entre
as amplitudes de velocidade entre os anemômetros
e também uma resposta rápida, o que demonstra
o formato de escada dos gráficos. A partir dos 8
minutos, variou-se mais abruptamente as tensões
aplicadas, o que causa uma maior aceleração nas
amostras. Em consequência disso, podem ser verificados desvios que tomam maiores amplitudes
pela falta de sincronia entre as medidas instantâneas dos dois anemômetros, sem que isso gere
perda de confiabilidade. Nos trechos de maior
amplitude, fica evidente que o anemômetro projetado detectou uma pequena diferença nas velocidades, ficando um pouco abaixo das medidas do
comercial. Tal aspecto também não causa surpresa, visto que o anemômetro comercial também
possui desvios tabelados pelo fabricante.
5
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Conclusões
Este artigo apresentou uma nova técnica de processamento de dados para ser utilizada em anemômetros ultrassônicos. Para validar a técnica desenvolvida, foram realizados experimentos com túnel de vento e um anemômetro comercial para
comparação de dados. A técnica apresentou precisão e exatidão, como pode ser verificado pelos gráficos exibidos anteriormente. Comparando os dados obtidos pelo anemômetro comercial e o protótipo desenvolvido, a nova técnica apresentou desvio máximo de 3,25 km/h e erro RMS de 1,21
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