CS110
UFPR-Universidade Federal do Paraná
Departamento de Engenharia Elétrica
Trabalho referente a disciplina TE169 - Instrumentação eletrônica.
Professor orientador - Prof. Eduardo Parente.
Autor - Otávio Nogueira Casagrande
Análise do sensor de campo elétrico CS110 - Campbell Scientific,Inc.
Resumo
Este trabalho apresenta uma breve análise do sensor de campo elétrico CS110 - Campbell Scientific. Este aparelho é do tipo Field Mills e é normalmente utilizado como suporte para prevenção de risco de descargas atmosféricas. A análise se dará por dados técnicos do sensor, com objetivo informativo e de motivação.
Palavras chave: Campbell Scientific, CS110, Field Mills, Prevenção de descargas atmosféricas.
Sumário
Introdução
Especificação
Aplicação
Conclusão
Referencias
Introdução
Os dados que aqui serão apresentados são baseados no manual do fabricante. Este sensor é mais conhecido como do tipo de " Electric Field Mills ". Tem este nome, pois na parte da frente do aparelho existe uma parte girante que parece com um moinho. Sua operação é de grande importância para a meteorologia, pois ilustra a força do campo elétrico atmosférico. Isto justifica sua grande importância na meteorologia, pois pode ser usado como preditor em sistemas de prevenção de raios. Seu funcionamento basicamente consiste em eletrodos que são expostos e não expostos em função da rotação do bloqueador, sendo decodificado e representando um valor de campo elétrico.
Figura 1:Esquema mecânico de um Field Mills[Fonte: http://www.ee.nmt.edu/~langmuir/E100/E100.html]
O giro do rotor seleciona os eletrodos que estarão sob o efeito do campo elétrico atmosférico. O eletrodo, quando descoberto é sofre acumulo de cargas e se carrega, enquanto o outro que esta bloqueada se descarrega. Com isto os dois eletrodos terão um aspecto oscilatório e serão ortogonais. Na saída dos sensores existe um tratamento de sinal, que o seu funcionamento é representado na figura abaixo:
Figura 2: Circuito de um Field Mills.[Fonte: http://www.ee.nmt.edu/~langmuir/E100/E100.html]
A saída deste processo é um sinal de nível DC que representa um valor de campo elétrico. Note que este esquema é de um funcionamento genérico de um Field Mills e pode não representar fielmente este aparelho, pois o manual do fabricante não fornece o esquema eletrônico do mesmo.
Especificação
Valores importantes são mostrados abaixo:
Precisão: 4% da leitura
Para valores de 0 a 2200 V/m :
Resolução(V/m): 0,32 Sensitividade: 1,2 Ruído(V/m RMS):0,42
Para valores de 2200 a 22300 V/m:
Resolução(V/m): 3,2 Sensitividade: 13 Ruído(V/m RMS):1,9
O sistema faz medidas 5 vezes por segundo. Esta velocidade pode ser ajustada, porém não deve exceder ao limite de tempo que o eletrodo leva para voltar ao normal.
Necessidade de alimentação: De 11 a 16 Vdc; a demanda de corrente vale 750 mA pela operação do motor e mais:
7mA para 12V = 0.08W quando há amostra a cada 10 segundos.
60mA para 12V = 0.7W quando há amostra a cada segundo.
120mA para 12V = 1.4W quando há 2 amostras a cada segundo.
300mA para 12V = 3.6W quando há 5 amostras a cada segundo.
Figura 3:Corrente em função da freqüência de amostragem. Fonte: manual do fabricante.
Comunicação: Contém uma porta RS-232; uma porta CS I/O usada para periféricos como a porta COM312 (Voice modem); Também conta com 3 portas de controle digital e uma SDI-12.
Baud Rate: Variável de 300 até 115200 bps
Contém protocolo ASCII com um bit de início, um bit de parada, 8 bits de dados e sem paridade.
Conta com proteção de descargas atmosféricas.
É compatível com os seguintes sensores:
Temperatura: HMP45C-LC, CS500-LC
Vento: 05103-LC, 05106-LC, 05305-LC, 034B-LC,03001-LC
Chuva: CS700-LC, TB4-LC, TE525-LC, TE525WS-LC, TE525MM-LC
Programável: CRBasic permite a seleção da freqüência de aquisição de amostras e o processamento de dados.
Fácil manutenção: O estator é facilmente removível para limpeza e para troca de dispositivos.
Temperatura de operação: de -25 até 50 graus o dispositivo padrão mas pode se escolher o opcional que trabalha de -55 até 85 graus.
Calibração: O dispositivo vem calibrado da segunte maneira:
Figura4: Função que resulta o campo elétrico. Note que falta somar a tensão de offset. Fonte:manual do fabricante.
O coeficiente M é função da dimensão do eletrodo e o feedback do capacitor do amplificador de carga.O valor estimado da precisão do eletrodo quando calibrado vale 1%. O valor de offset do aparelho pode ser medido quando o estator está cobrindo o sensor. Este valor não deve passar de 60V/m, se caso isto acontecer, é recomendado limpeza no local.O valor do coeficiente M vem de fábrica sendo 84.325(Volts/metros.milivolt). O resultado de tudo pode ser observado na figura abaixo:
Figura 5: Gráfico do campo eletrico em função da tensão de saída.Fonte: manual do fabricante.
Figura6 : CS100. Fonte: manual do fabricante.
Porém esta calibração feita na fábrica é valida para o sensor virado para cima. Mas como estes sensores trabalham em áreas externas e não se pode colocar o dispositivo virado para cima, devido aos problemas de precipitação e poeiras e pássaros, deve ser montado virado para baixo e isto faz com que reduza o ganho. Com isto volta a ser necessário a recalibrar o coeficiente M do aparelho.Para se fazer esta correção necessita-se achar um coeficiente de local C.O novo M provém da função abaixo.
Figura 7: Formula que resulta o novo M. Fonte: manual do fabricante.
Este C provém de um aparelho apontado para cima e que determina o valor que se diferencia de um lugar para outro.
Figura 8: Gráfico corrigido do campo elétrico em função da tensão de saída. Fonte: manual do fabricante.
Este correção é feita no local, comparando com os dados do sensor que estava para cima e o outro que se situava para baixo. Passou uma reta resultando um C de 105 com 4% de variação.
Aplicações
Sua principal aplicação consiste em prever e gerenciar descargas atmosféricas.Abaixo pode ser visto um exemplo da saída do Field Mills junto com a descarga elétrica na região.Estes dados são da estação meteorológica do SIMEPAR no centro politécnico em Curitiba.
Figura 9:Gráfico do Field-Mills quando ocorreu descarga.Fonte: SIMEPAR
Ampliando o gráfico e apontando a hora exata da descarga elétrica obtemos o seguinte gráfico:
Figura 10:Gráfico ampliado mostrando o ponto exato em que ocorreu a descarga. Fonte:SIMEPAR
Conclusão
Mostrou-se o dispositivo com clareza, evidenciando suas qualidades técnicas, seu princípio de operação e dicas de operação. Após isto foi evidenciada a sua aplicação com exemplo prático, mostrando o sistema em operação e expondo o potencial que este dispositivo tem como preditor de descargas elétricas, sendo então procurado por diversos orgãos que necessitam de um gerenciamento intensivo de prevenção de acidentes.
Agradecimento especial ao Instituto tecnológico SIMEPAR.
Bibliografia
[1]INSTRUCTION MANUAL CS100,Global Atmospheric,2008
[2]DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA NEW MEXICO TECH,sitio http://www.ee.nmt.edu/ , acesso 21/03/09.
[3]Alertas Regionais para a Ocorrência de Descargas Atmosféricas em Função da Variação do Campo Elétrico Atmosférico Local – Sistema REMCEA,Heilmann, A; Jusevicius, M,A,R; Beneti, C.A. Instituto Tecnológico SIMEPAR.