Sistema de monitoramento em tempo real de vento e ondas de Porto Primavera
O local para o monitoramento de vento e ondas foi definido após uma inspeção in loco a qual considerou o fetch, a profundidade e as condições logísticas para instalação dos sensores. Assim foi escolhido o local mostrado na Figura 9.1, situado nas coordenadas 22°24,535’S e 52°52,554’W, aproximadamente 14Km a montante da barragem de Porto Primavera. Nesse local a profundidade é de 20 metros e para a instalação dos sensores foi realizada a montagem de uma estrutura metálica presa sobre a extremidade de um tronco de árvore.
Figura 9.1 - Vista do lago Porto Primavera com o ponto de instalação da estrutura de instrumentação.
Acoplada a estrutura sobre a água foram instalados os seguintes sensores:
anemômetro sônico 2D,para as medições de velocidade e direção do vento;
ondógrafo óptico a laser para as medições de amplitude e período de ondas;
transdutor de pressão modelo DRUCK 1830, medição de nível para extração de altura ondas;
ondógrafo ADCP-Waves;
sensor acústico modelo Log_aLevel, medição de nível para extração de altura de ondas;
129 Na sequência estão descritos os principais dados técnicos e modo de funcionamento dos sensores e periféricos utilizados.
Anemômetro sônico 2D: equipamento com sensores de ultrassom em eixos perpendiculares arranjados de forma a permitir leitura de velocidade e direção do vento com saídas analógicas ou digitais.O instrumento não possui partes móveis e elimina a necessidade de manutenção no local, especialmente em locais onde o acesso é difícil. Na Figura 9.2 temos a ilustração desse sensor.
Figura 9.2 – Anemômetro sônico 2D.
Ondógrafo óptico: confeccionado por um sensor industrial de medidas de distância a laser, classe 2, focado em um anteparo com formato de boia. O anteparo (boia) foi confeccionado em cobre e soldado em estanho, eliminando assim os efeitos de oxidação, possui um centro revestido por teflon, de forma a minimizar o atrito com a haste guia central. Isso permite que a boia excursione livremente na haste guia, conforme a oscilação das ondas. A Figura 9.3, ilustra o ondógrafo óptico desenvolvido no LH² - Laboratório de Hidrologia e Hidrometria da FEIS/UNESP.
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Figura 9.3 – Ondógrafo óptico.
O sensor de distância a laser classe 2, modelo VDM28-8, comprimento de onda 660nm e acurácia de 5mm, foi fixado ao suporte base do mecanismo automático de correção de nível, composto por trilho de rosca sem fim ajustável a um nível de referência estabelecido por um transdutor de pressão fixo na extremidade submersa.
Transdutor de pressão (DRUCK PDCR 1830): sensor comercial de alto desempenho totalmente submersível para a medição de nível de líquidos hidrostáticos,mostrado na Figura 9.4.
Este sensor opera na extremidade submersa do tubo guia do ondógrafo óptico, com duplo propósito. Primeiro colher as informações da variabilidade dinâmica do nível d’àgua em alta frequência para ser utilizada como insumo na determinação de altura de ondas, via transformada de Fourier. Segundo, para prover a correção automática da profundidade do próprio sensor, mantendo-o sempre a 1,5 metros de profundidade para mitigar os efeitos de atenuação caso haja variação de profundidade durante o período de amostragem, fato comum em reservatórios de hidrelétricas.
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Figura 9.4 – Transdutor DRUCK PDCR 1830.
ADCP-Waves: o princípio básico da medição, de ondas baseia-se na determinação das velocidades orbitais das partículas d’água, através de feixes de ultrassom. O ADCP é montado submerso, com a face voltada para cima e tem um sensor de pressão para medir a profundidade da água. A Figura 9.5 ilustra o ADCP com as quatro células de emissão do sinal. O espectro de altura da superfície é dado pelo sensor de pressão, enquanto o espectro de velocidade orbital é obtido pelo deslocamento das partículas usando ondas cinemáticas lineares. O resultado é uma matriz trans-espectral, que contém informação de fase no caminho entre cada sensor e todos os outros, em cada faixa de frequência. O espectro cruzado em uma frequência particular é linearmente relacionado ao espectro direcional a uma frequência específica.
Figura 9.5 – Sensor acústico ADCP waves.
Sensor acústico Log_alevel: constituído por sensor ultrassônico de alta performance que opera sobre a superfície d’água gera medições precisas de nível em taxas de amostragem de 10 ou 20 HZ. O Log_aLevel usado em níveis da água e em sistemas de monitoração de onda pode ser configurado para funcionar de forma autônoma com dados gravados internamente por um registrador, ou ainda podem ser integrados como parte de uma rede de controle remoto.O sistema do Log_aLevel para medir ondas sobre a superfície d’água são de fácil instalação, e possui auto-
132 calibração. Isto é, para compensar a variação da temperatura do ambiente e a velocidade do som, é continuamente e automaticamente amostrada por um é sensor paralelo dedicado.
Figura 9.6 – Sensor acústico Log_aLevel.
Periféricos de aquisição e transmissão de dados: a aquisição e armazenamento de dados dos sensores foi realizada através de datalogger. Normalmente, os dataloggers são equipamentos portáteis, supridos por bateria, constituídos de um controlador (que pode ser um computador), memória interna para armazenamento dos dados, interface de aquisição, com alimentação e portas para diversos tipos de sensores, conforme exemplifica a Figura 9.7.
Figura 9.7 - Datalogger CR1000.
A telemetria foi composta por link de rádios VHF, transmitindo os dados da estação base de coleta no lago a uma estação repetidora situada na margem e daí seguindo para a estação localizada na UNESP na cidade de Porto Primavera para acesso remoto via rede internet. Toda a alimentação do sistema é realizada com painéis solares.
A estação 1 de instrumentação foi instalada numa estrutura metálica presa sobre a extremidade de um tronco de árvore (Figura 9.8), aproximadamente a 14 km a montante da barragem de Porto Primavera (22°24,535’ S; 52°52,554.W). Para as medições de velocidade e direção do vento, foi utilizado um anemômetro sônico 2D e para as medições de onda foram utilizados simultaneamente, quatro instrumentos diferentes, que são: ondógrafo óptico,
133 transdutor de pressão, modelo DRUCK 1830, sensor ADCP-Waves e sensor acústico Log_aLevel, conforme ilustra a Figura 9.8. Os dados coletados pelos sensores, óptico e de pressão, são pré-processados e gravados em um datalogger e transmitidos, via telemetria para Laboratório de Hidrologia e Hidrometria, UNESP – Ilha Solteira.
Figura 9.8 - Estrutura com sensores de vento e ondas no Lago de Porto Primavera.
A estação 2 de instrumentação foi montada numa estrutura metálica de tubos na forma de pirâmide triangular e instalada próxima a margem a 2m de profundidade (Figura 9.9). Nessa estação o propósito foi coletar dados em águas rasas para se quantificar os efeitos de erosividade das margens. Para as medições de velocidade e direção do vento, foi utilizado um anemômetro sônico 2D e para as medições de onda foram utilizados quatro sondas de pressão instaladas três em configuração de triângulo equilátero equidistantes de 3m e outra sonda avançada em 3m na direção ao talvegue, todas a 1,5m de profundidade.
Atualmente a estação 2 foi realocada para margem esquerda, com instrumentação composta por: anemômetro, sonda de pressão e ondógrafo óptico, conforme mostra a Figura 9.10.
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Figura 9.9 – Estação 2 com sensores de vento e ondas na margem direita no Lago de Porto Primavera.
Figura 9.10 – Estação 2 na margem esquerda no Lago de Porto Primavera.
Os dados coletados pelos sensores: anemômetro, ondógrafo óptico e transdutor de pressão, são pré-processados e gravados em um datalogger. Já os dados adquiridos pelos dois
135 sensores acústicos, ADCP-Waves e Log_aLevel, são armazenados em memória interna pelo próprio instrumentos, portanto com coleta e análise pós-fato.
Os dados adquiridos pelo datalogger são transmitidos via rádio frequência, utilizando um rádio spead-spectrum, 900 MHz, configurado como slave e uma antena direcional focada para repetidora. A base repetidora foi montada em cima da caixa d’água, Figura 4.2.1, pertencente a um prédio da CESP – Companhia Energética de São Paulo, situada próxima à margem do Lago de Porto Primavera. A base repetidora é constituída por uma antena tipo omni multidirecional e um rádio spread-spectrum configurado como repetidor, alimentado por um painel solar através de um controlador de carga. Daí o sinal é retransmitido para a base de processamento, localizada no Campus Experimental de Rosana/UNESP, na cidade de Porto Primavera, conforme mostra a Figura 9.9.
Figura 9.9 – Base repetidora montada sobre a caixa d’água.
Após os dados serem retransmitidos pela base repetidora são coletados em um computador, através de outro rádio spread-spectrum e antena direcional, na base de processamento, Figuras 9.10 e 9.11. A visualização dos dados no LH2 é feita através de acesso remoto via internet.
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Figura 9.10 – Antena direcional na base de processamento na UNESP, Porto Primavera.
137 A estrutura descrita, visando o monitoramento do estado de agitação do lago de Porto Primavera, em tempo real, tem permitido através do sistema de telemetria o acompanhamento dos dados de velocidade e direção do vento, amplitude das ondas e tensão de alimentação das baterias para a instrumentação.
Alguns exemplos de dados adquiridos estão apresentados a seguir. A Figura 9.12 mostra um exemplo para o dia 27/05/2013, do comportamento da velocidade do vento e amplitude das ondas medidas com o ondógrafo óptico, no lago de Porto Primavera.
Figura 9.12 – Velocidade do vento e amplitude de ondas medidas com ondógrafo óptico.
Neste caso de pista longa ou um extenso fetch, superiores a 30 km, com vento soprando de montante para jusante, são observados que ventos com velocidade de 8m/s podem gerar oscilações no lago com amplitudes que atingem até 2 metros.
O lago de Porto Primavera, em razão da sua própria dimensão e das condições naturais de velocidade de vento, delineadas por uma região de planície no médio Rio Paraná, cujas isopletas definem uma região de corredor de vento insere-se num contexto de águas interiores com possibilidade de produção de ondas pelo vento, quase que similares àquelas das regiões costeiras. Com todos os instrumentos instalados, o próximo passo é coletar dados suficientes dos quatro sensores utilizados para a medição de ondas e realizar comparações e validações entre eles. Ademais, o monitoramento contínuo do estado de agitação do lago deve permitir o estabelecimento das relações vento x ondas para propósitos de pesquisa, modelagem em águas
138 rasas e definição de parâmetros operacionais para a segurança do tráfego neste trecho da hidrovia.
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META 10 – Continuidade do desenvolvimento das relações vento – ondas.