calibração de sensor aerodinâmico (pipa) com anemometro tipo

Revista Brasileira de Meteorologia, v.16, n.2,223-228,2001
CALIBRAÇÃODE SENSOR AERODINÂMICO(PIPA) COM ANEMOMETRO TIPO AEROVANE
HILDO R. QUINSAN JR., LUIZ AUGUSTO T. MACHADO, GILBERTO FISCH E RICP
Centro Técnico Aeroespacial (CTA/IAE-ACA)
Praça Marechal Eduardo Gomes n050, São José dos Campos, CEP: 12228-904
[email protected]
LIIG W I I I U . 11115 IIIGLIIUU 1 5 USGU
U I ~a
kite, where the tension at the tetherline and the elevation and azimuth angles are used to compute the
wind vector. A comparison is made with an independent data set collected in a mast, showing the
A I U W L U ~ IIIGLIIUU
L
1 5 ~ L U ~ U ~I UGI U
L U I I L I I I U U U ~I I I G ~ ~ U I G I I I G I IUI
L
tre
;ua
; e/
1d0
)as
5O
#do
Ira
ide
:ga
velocidade do vento sob os quais os segundos podem
operar. Uma solução alternativa é o emprego de pipas.
Uma revisão histórica da utilização de pipas para amostra
a atmosfera é dada por Balsley et al. (1998), abordando
suas vantagens e limitações. A principal vantagem da
pipa é o seu custo muito baixo e a sua simplicidade.
Enquanto o balão cativo necessita de gás e deve ser
reabastecido periodicamente, em função dos vazamentos
ou no início das missões, a pipa pode ser usada
..
,.
, *
- .
diretamente e é descartável. Uma outra razao importante
para o emprego de pipas é que elas podem operar com
ventos mais fortes, ou seja, com velocidade maior que o
- 7
d
l;-:ta
,.+-A+:,-*
AO
I I I I I I L ~ ~ I U L I ~UG
U
n,.a,.n,-z~
A",
nlXOn
u
p ~ ~ a y au
u
v a huaivca
,.,,t:.,~~
C
'
A
~
L U L ~ V U ~ .OCÈ;UILUU
McCowan et al. (1996), uma pipa de 4,O m de largura
~
~
de perda da pipa, tanto os dados como os equipame,ritos
são preservados. Para qualquer condição de venito, é
possível usar pipas relativamente pequenas, deixand[o-se
o equipamento transdutor no solo, enquanto apenas a pipa
permanece no nível de medida. Devido à característica
de possuir somente elementos necessários a sua
sustentação, a pipa responde rapidamente às varia ções
do vento, podendo, dentro de certos limites, indicar o I~ í v e l
da turbulência do vento no nível de medida. O objc:tivo
, .
,
desta nota técnica é o d e apresentar urri metodo
alternativo de baixo custo (pipa) para a real ização de
medidas de vento contínuas no tempo em substituição
~k n A
. . a l~
ne
-ht:Ano
--- h n l z n , - q t : T r n C)U torres
aYUF;la3
u U L I u a a p u l U 1 l l uaIau b a L l v u
anemométricas.
*A*
Calibração de sensor aerodinâmico (pipa) com anemômetro tipo aeronave
no cabo é proporcional à velocidade horizontal do vento
se
A Figura 1
--- r - --a rnmnnnente
- ---r -------- vertical.
-- desnre~armns
--mostra o sistema em operação ao la do de uma torre
anemométrica.
2 - SENSOR DE VENTO AERODINÂMICO
A
2.1
- Senso]r de Vento (PIPA)
A pip<
a é propriamente o sensor de vento, sensor
,.
X o ; ~ nA a toncõn
rnnri8n;rc~rinhre n
este cujo prillblplu hvaalbu
Lbllauu
(fio) cabo qu
a que o cabc
do vento, dc
sentido, se p
pipa. A inclin
sob a ação d
deve ser est
tensões no f
do vento e r,, ,
,
,
,v-iluuu
vento sobre
o tipo da pir
intercompar;
n~inin
L
l,,l,,,,,u
,,
b
r,
IIIbbuIIIbU a V V I b
A -A
v v
v
V
IILiilrv
)
qual é fixada
, formada por
C.lAu
bllI
VbILlbal
39 cm de lado,
de PVC cujo
tubo é o eixo
)otenciômetro
tal (linear). O
lululllbllLVù.A saída do
ângulo de
L direção da
rigura I: vista aa operaçao no Lentro ae Lançamento ae Aicantara (LLH), onae poae ser ooservaao o lransauror ae Vento para
Pipa (TVP) e a torre anemométrica. Ao lado, esquema de medida da altitude da pipa, onde se observa a curvatura (catenária) do fio.
ende a
auuiiLa u a a a viva. b ~ x u i i i u ua ulicbau ua iiiilld a que
está conectado. Porém, em função da curva que esta
apresenta devido ao peso da própria li nha (curva
,
' . \ mais
. a curvawra ueviua a carga do vento
catenaria)
distribuída ao longo dessa linha, esta b m.a de elevação
direciona-se para um ponto abaixo da pipa. Esta
..,.
. .
ciirerença de altura e tanto menor quanto menor for a
são que a pipa exerce
some ela.
L
I
onae passa o rilamento ao qual e ngaaa a iinna aa pipa).
Este braço movimenta um eixo horizontal que aciona o
potenciômetro de elevação, cujo valor é de 33KQ. A
saída deste potenciômetro corresponde à elevação da
linha com relação à horizontal, cujo seno deste valor é
multiplicado pelo comprimento da linha e permite obter a
>
,
u
-L
3 - . . 1 - 1 - -
%-
225
Hildo R. Quinsan Jr., Luiz Augusto T. Machado, Gilberto Fisch e Ricardo C. Leão
+-"i---... . '
---+,-...
,A&
t
r
6 ;
-$
l
,!
!
>
m
cni graus obtida a partir da tensão de saída v,, (inV) d o
potenciômetro ligado ao eixo transversal do braqo dc
-
!
o I ~ x ~ , > o G,I,\
n TVD.
ite) da pipa em
b l b V ~ t y ~ Ub
, l l b U ~ 1 U C l -a
>~
27Ullrill
uu
p a i L b L l U i l K U U b D L b .
Na parte posterior ao eixo horizontal, o braço de elevação
---- -
--v
-
A
.
-A
-A
--
A
A A
- -A-
A
A --A
--
A A
A
a
-- -
na mesma unidade, juntamente com o diajuliano e o tempo
(hora, minuto e segundos) correspondente. Foram
utilizadas as seguintes equações para transformar as
medidas de tensão em parâmetros físicos:
I V
r
t:111 ~ t : l d p uau
suiu. u al~guiuc
t:
igual a t:it:vakau
etro de azimute.
uirci;au uo verl~o(uv) t:~ a ~ c u l a WIIIO
u a dv= d - 180'.
Como o anemômetro aponta para a direção de onde vem
ção para onde vai
: vento da pipa, há
msdutor, corrigida
A
Lançamento de
por ser área onde
ito para apoio às
:tes, como pela
i sensores da torre
:scrição detalhada
apresenta as
características médias do perfil de vento do CLA. As
medidas comparativas foram realizadas no dia 17 de
outubro de 1998. A pipa fc,i empinada defronte aos
anemômetros da torre, sendo (3 transdutor orientado para
o Norte Magnético. ProcuroiI-se manter a pipa abaixo
do topo da torre, tendo perma~necidogeralmente entre o
5" nível (43m) e o 4" nível (271nn). O fio entre o transdutor
e a pipa apresentou desvio característico em relação à
direção do braço móvel ( braço de elevação) do
transdutor, devido ao seu pesoI próprio e à distribuição da
força do vento sobre seu cornprimento. Naturalmente,
este desvio tende a ser menor quanto maior for a tração
sobre o fio, bem como quanto menores forem o diâmetro
e a massa do mesmo. A e1levação real da pipa foi
verificada isoladamente po r meio de 'medição com
teodolito, sendo da ordem de 6,7% inferior à calculada
ío do braço do transdutor e
pa. Este valor serve apenas
epende de cada condição
ae vento para uma mesma pipa e linha. Uma série maior
UViI>
UYU
Y
C
U
IU
V
IIL>
URIi>LUI.CU,
Calibração de sensor aerodinâmico (pipa)com anemômetro tipo aeronave
de medidas deverá ser realizada de forma a
relacionar a catenária com o perfil vertical do vento e
sua influência na determinação da velocidade.
3.2
-
Sistema de Comparação
A torre anemométrica do CLA possui 6 níveis de
anemômetros entre 61n e 70m de altura, tendo sido usadas
as infonnações dos anemômetros dos níveis 4 (27m) e 5
(43m) para comparação com os dados da pipa. Os
anemômetros utilizados são do tipo aerovane, marca
R.M.Young. O sensor tem sensibilidade de direção para
velocidades do vento a partir de 1,lm.s-I, quando
deslocado 10" da direção do vento. A tensão de saída
correspondente a direção é diretamente proporcional ao
ângulo de azimute. A medida da velocidade do vento é
feita por meio de uma hélice de quatro pás que acionam
um volante magnético com seis p6los. Este, por sua vez,
induz uma tensão alternada em uma bobina. A freqüência
desse sinal é diretamente proporcional a velocidade do
vento. Os sinais dos anemômetros são registrados a cada
5 segundos, sendo calculado o valor médio a cada 10
minutos.
3.3
- Calibração
O s anemômetros Young são calibrados
periodicamente em túnel de vento no CTA e mantêm-se
dentro das características originais com erros inferiores
a 3' em direção e 0,5m.s-' em velocidade. A calibração
do transdutor de vento para a pipa foi realizada por
comparação, utilizando-se das indicações de
transferidores para o azimutc c elevação e pesos para a
indicação de força, com erros angulares inferiores a 5* e
erros na medida de força pelo dinamômetro inferiores a
0,05 kgf.
4
-
RESULTADOS
4.1 - Relação entre as medidas da torre
anemométrica e da pipa
A velocidade do vento sobre a pipa provocou uma
força aplicada ao dinamômetro do transdutor de vento
cuja intensidade foi comparada com a velocidade do
vento. A pipa manteve-se a uma altitude média de 3 1,5m
no período analisado. A velocidade do vento (m.s-'),
obtida pela torre interpolada na altura da pipa, foi
relacionada com a força da pipa (kgf x 10.'). A Figura
3a mostra os valores da força medida pelo dinamômetro
(F) contra as velocidades obtidas pelos sensores da torre
anemométrica. Nesta figura, observamos uma relação
quase linear entre ambas as variáveis. Baseado nesta
relação e utilizando-se do método dos mínimos quadrados,
ajustou-se uma equação preliminar que transforma a
força aplicada ao dinamômetro na velocidade do vento.
A equação encontrada é dada por:
onde v,= velocidade do vento correspondente à força F
no TVP. Esta regressão linear simples, aplicada para 8 1
pares das variáveis da velocidade do anemômetro e da
força da pipa, apresentou um coeficiente de correlação
de 0,753. Apesar do valor relativamente alto do
coeficiente de correlação, este ajuste deve ser
considerado preliminar, pois depende de diversos fatores,
tais como: tipo da pipa, tirante e a catenária.
A Figura 3b apresenta uma comparação entre a
velocidade da pipa (vpipB),
obtida pela relação acima e
vtorre
em função do tempo. Observa-se que as velocidades
se mantiveram no intervalo entre 4,0m.s-' e 9,O m.s '. A
curva de v,,,,,~acompanha a curva de vtorrecom menor
intensidade em 53% dos valores. Em 25% dos pontos,
houve oposição de sentido com diferenças entre 0,2 msI e I ,4 m.s-' em valor absoluto entre vtorre
e vPiW.
A Figura
3c apresenta uma comparação entre dPIPIe dto,,, em
função do tempo. Observa-se que as direções se
mantiveram no intervalo de 23" a 73'. A curva de dpipa
acompanha a curva de
com menores valores de
direção em 68% dos valores. Em 15% dos pontos, houve
oposição de sentido com diferenças entre 2* e 16" em
valor absoluto entre dt,,,, e dpiP.
As diferenças encontradas nas Figuras 3b e 3c
podem ser devido a:
a)
os tempos de resposta diferentes dos dois
sensores, devidos a suas inércias, geometria, tipos de
conexão e de operação, entre outros fatores;
b) as médias de I O min de valores adquiridos a
cada 20s, que não permitem verificar a resposta em tempo
real, mas servem para indicar que ambos os sistemas
permitem o acompanhamento do fenôinenò de maneira
a caracterizá-lo para estudos climatológicos.
%.
T-
&
Hildo R. Quinsan Jr., Luiz Augusto T. Machado, Gilberto Fisch e Ricardo C. Leão
UULLLV.LLv
Figura
do vei
curva I
e dires
e do l
pares
veloci~
entre
para d
grandr
para di
mante'
091 P
para d
1
"
SKEWNESS
KURTOSIS
4.2 - Correção da altitude real da pipa
A altura da pipa medida pelo teodolito (h,,)
dada pela seguinte relação:
U,Uv
vuLxLv
AIS
Tabela I: Comparação estatística entre as distribuições das
séries de valores da velocidade e direção do vento obtida pela
torre e pela 1ipa. Valores relativos à velocidade estão em m.s-I
e à direção em graus.
pzEi- [PIPA
- 1 TORRE
I PIPA DIRECÃO I TORRE
VELOCIDADE I VELOCIDADE I
( DIREÇÃO
-
UU
vertical da pipa, a é o
é a altura do teodolito
a pipa descreve uma
medida pelo teodolito,
.nor que a calculada
ra um comprimento
tenária será devida à
que provocará uma
ite ao longo deste fio,
ida ao seu peso. O
u u v L u &e
tirante sofre uma
simultâneo da tração no
do vento sobre a pipa. A
) será minimizada com o
s, onde aplicável, ou pelo
mo ao limite de resistência
:locidade do vento no nível
:nto nos níveis inferiores,
quer quanto à turbulência
é
~aixocusto, onde o preço
pipa se situa abaixo de R$
na alternativa conveniente
le pode ocorrer perda do
ntos fortes, por exemplo)
rato para a realização de
.sos locais.
os obtidos através da pipa,
acompannaram as oscilações das médias
correspondentes aos anemômetros da torre. Pode-se
concluir que o sistema testado tem condições de operar
como sensor de vento, devendo ser calibrado por
comparação com anemômetros com tempo de resposta
adequado ao tipo de medidas desejado: anemômetros
convencionais para obtenção de dados para fins
climatológicos, ou anemômetros sônicos para medidas
de turbulência atmosférica. Obviamente, os limites, quer
de alcance e desempenho, quer de durabilidade, imporão
modificações no conjunto pipa/transdutor/registrador,não
alterando, porém, a concepção básica de seus
componentes. Um número maior de experimentos será
necessário para estabelecer a influência da catenária nas
medidas realizadas.
Calibração de sensor aerodinâmico (pipa) com anemômetro tipo aeronave
6
-
AGRADECIMEN'TOS
atrnosphere. Boundary Layer Meteorol., v. 87, p. 1-25,
1998.
Os autores desej;sm agradecer à Fundação de
st2dn de
~iiln
IFAPFSP)
-- S5n
--- P
. --.- -- --- / >
Amparo a Pesquisa do E -.--v
através do Auxílio a Pesquisa Individual 96/12 147-9, que
\-
FISCH, G. Características do perfil vertical do vento no
Centro de Lançamento de Foguetes de Alcântara
21, 1999.
kite based
ary Layer