Identifica¸c˜ ao de Objetos por Sombras

A identifica¸c˜ao de objetos em escoamentos, tais como part´ıculas, gotas ou bolhas, pode ser realizada pela t´ecnica denominada identifica¸c˜ao de objetos por sombras, que utiliza a sombra gerada pelo objeto de interesse para seu reconhecimento. Nesta t´ecnica, as sombras s˜ao captadas por uma cˆamera quando o objeto passa entre a fonte luminosa, localizada na parte traseira do escoamento, e a cˆamera. As imagens obtidas s˜ao processadas para a identifica¸c˜ao do contorno dos objetos, podendo forne- cer caracter´ısticas como posi¸c˜ao, ´area, per´ımetro, diˆametro equivalente, orienta¸c˜ao, excentricidade, fator de forma, momentos de in´ercia, entre outros, al´em de permitir avaliar o deslocamento do objeto entre imagens consecutivas [37].

A figura 2.3 ilustra a sombra de um objeto de interesse sendo captada por uma cˆamera, quando este objeto entra em seu campo visual, que est´a iluminado por LEDs, utilizados como fonte de ilumina¸c˜ao traseira. A luz emitida pelos LEDs passa por um anteparo opaco, antes de atingir o escoamento, a fim de distribu´ı-la de maneira mais uniforme, evitando regi˜oes onde haja luminosidade concentrada. A identifica¸c˜ao dos objetos de interesse ´e realizada na etapa de p´os-processamento das imagens captadas, com a ajuda de um algoritmo ou software especializado. Ap´os isto, as caracter´ısticas de interesse do objeto s˜ao estimadas.

Figura 2.3: Esquema do princ´ıpio de funcionamento da identifica¸c˜ao de objetos por sombras.

Cap´ıtulo 3

Descri¸c˜ao do Experimento

3.1

Aparato Experimental

O aparato experimental utilizado neste trabalho faz parte das instala¸c˜oes do LEMFT - Laborat´orio de Escoamentos Multif´asicos em Tubula¸c˜oes - que comp˜oe o NIDF - N´ucleo Interdisciplinar de Dinˆamica dos Fluidos - integrante da estrutura da COPPE, UFRJ.

Este aparato, cujo desenho esquem´atico ´e apresentado na figura 3.1, ´e composto por uma tubula¸c˜ao vertical de acr´ılico, medindo 9 m de altura e 44 mm de diˆametro interno (L/D = 205), com um trecho tubular substitu´ıvel, medindo cerca de 1 m, que abriga o injetor de ar, localizado a 3 m em rela¸c˜ao ao ponto mais baixo da tubula¸c˜ao.

A Figura 3.2 apresenta uma fotografia dos dois injetores utilizados, onde se detalham os componentes do injetor e a referˆencia de medi¸c˜ao para o ˆangulo de inje¸c˜ao α. O injetor permite a substitui¸c˜ao do orif´ıcio de inje¸c˜ao para a altera¸c˜ao do diˆametro de seu furo φ, sendo utilizados, neste experimento, orif´ıcios com diˆametro igual a 2 mm e 5 mm.

A ´agua utilizada no experimento prov´em do sistema de abastecimento p´ublico e ´e armazenada em um tanque de a¸co inox com capacidade de 4000 L. Neste tanque, ´e realizada a adi¸c˜ao e a mistura das part´ıculas utilizadas pela t´ecnica de velocimetria por imagem de part´ıculas, especificamente, part´ıculas de rodamina.

O escoamento de ´agua ´e obtido atrav´es de uma bomba de cavidades progressivas, modelo NM045BY01P05V, do fabricante Netzsch, que fornece vaz˜ao volum´etrica na faixa de 0,5 a 18 m3/h. A vaz˜ao volum´etrica de ´agua ´e ajustada por um inversor, modelo CFW08, do fabricante Weg, conectado `a bomba, e medida por um medidor eletromagn´etico, modelo EST1A1NAM4, n´umero de s´erie 06-FM-J087, do fabricante Emerson, cujas informa¸c˜oes de calibra¸c˜ao constam no item 1 do apˆendice A.

Figura 3.1: Aparato experimental com a tubula¸c˜ao vertical de acr´ılico e o injetor de ar em linha cont´ınua e os outros equipamentos da montagem em linha tracejada.

pact, do fabricante Schuz, com press˜ao de trabalho de 150 psig. Este ar tem a umidade reduzida em um secador de ar, modelo SRS60, do fabricante Schuz, a fim de evitar que o excesso de umidade influencie nas medi¸c˜oes relativas ao escoamento de ar. A press˜ao de ar fornecida ao sistema de inje¸c˜ao ´e mantida constante em 100 psig com o aux´ılio de um controlador de press˜ao, modelo 1425054MS, fabricante Metal Work Pneumatic. A medi¸c˜ao da vaz˜ao volum´etrica de ar ´e realizada por um medidor vortex, modelo FLP04-G2NA, n´umero de s´erie P071006D, do fabricante Techmeter, capaz de medir vaz˜oes na faixa entre 6,5 L/min e 17 L/min, cujas in- forma¸c˜oes de calibra¸c˜ao a diferentes press˜oes constam no item 2 do apˆendice A. Para garantir confiabilidade nas medi¸c˜oes obtidas com este medidor, ele foi posicionado entre duas v´alvulas agulha que, ajustadas em conjunto, fazem com que a press˜ao no medidor seja aproximadamente igual a uma daquelas para as quais o instrumento foi calibrado. Estas duas v´alvulas possuem a fun¸c˜ao adicional de permitir o ajuste da vaz˜ao de ar injetado na tubula¸c˜ao vertical. As medi¸c˜oes realizadas pelo medi- dor vortex s˜ao captadas pelo software LabView e armazenadas em um arquivo de texto, a um taxa de uma medi¸c˜ao por segundo. A press˜ao `a qual o medidor vortex est´a submetido ´e verificada por um medidor de press˜ao modelo PMP71-AEQ2/0,

(a) (b)

(c) (d)

Figura 3.2: Fotografias dos injetores de ar utilizados no experimento: (a) injetor a 45◦ montado; (b) injetor a 45◦ desmontado; (c) injetor perpendicular montado; (d) injetor perpendicular desmontado.

erro sistem´atico, quando comparado a um medidor padr˜ao. A corre¸c˜ao da tempe- ratura para a medi¸c˜ao da vaz˜ao de ar injetado ´e realizada pelo termˆometro modelo KT300, n´umero de s´erie 00063, do fabricante Siberius, cujas informa¸c˜oes de cali- bra¸c˜ao constam no item 3 do apˆendice A. A press˜ao no ponto de inje¸c˜ao de ar na tubula¸c˜ao vertical ´e obtida, aritmeticamente, com o aux´ılio das medi¸c˜oes realiza- das pelo medidor de press˜ao modelo EJA530A, n´umero de s´erie 91J212406935, do fabricante Yokogawa, que n˜ao apresenta erro sistem´atico, quando comparado a um medidor padr˜ao. O c´alculo realizado para obter a press˜ao no ponto de inje¸c˜ao ´e a subtra¸c˜ao da parcela hidrost´atica existente entre o ponto de medi¸c˜ao e o ponto de inje¸c˜ao, que est˜ao distantes, verticalmente, de 0,89 m.

No topo da tubula¸c˜ao vertical de acr´ılico foi constru´ıdo um separador gravitaci- onal em escala reduzida, aberto `a atmosfera, que direciona a ´agua separada de volta

ao tanque e libera o ar injetado para o ambiente.

As imagens do escoamento s˜ao captadas, na regi˜ao em torno do injetor de ar, por uma cˆamera CCD, modelo Speed Sense M310, c´odigo 9084C2211, n´umero de s´erie 112, do fabricante Dantec Dynamics, que apresenta resolu¸c˜ao m´axima de 1280x800 pixels, em conjunto com uma lente modelo AF Micro-Nikkor 60mm f/2.8D, do fabri- cante Nikon. O plano focal da cˆamera coincide com o plano laser do experimento. Utiliza-se, ao redor da tubula¸c˜ao, uma caixa de acr´ılico preenchida com ´agua, me- dindo 35 cm de altura, 25 cm de largura e 26 cm de profundidade, cuja fun¸c˜ao ´e reduzir distor¸c˜oes nas imagens captadas, causadas pela diferen¸ca entre os ´ındices de refra¸c˜ao dos ambientes interno e externo `a tubula¸c˜ao.

A Figura 3.3 ilustra o desenho esquem´atico da montagem dos equipamentos envolvidos na visualiza¸c˜ao e capta¸c˜ao das imagens. Tomando como referˆencia o plano laser, respons´avel por iluminar as part´ıculas presentes na fase l´ıquida, de um lado est´a a cˆamera e, do outro, os trˆes conjuntos de LED, modelo Constellation 120 5600K, do fabricante Veritas, que, em conjunto com uma pel´ıcula alaranjada, emitem luz com comprimento de onda superior a 550 nm e possuem a fun¸c˜ao de gerar uma ilumina¸c˜ao de fundo na imagem captada pela cˆamera, revelando as bolhas que atravessem seu campo visual atrav´es de sua sombra. Entre os conjuntos de LED e a caixa de acr´ılico existe um difusor ´otico que permite distribuir a luz proveniente dos LEDs de maneira mais uniforme, evitando regi˜oes com luminosidade concentrada, que podem dificultar a identifica¸c˜ao das part´ıculas iluminadas pelo laser, al´em de saturar os sensores da cˆamera.

O plano laser, que passa pelo eixo vertical da tubula¸c˜ao de acr´ılico, ´e gerado pelo laser modelo NANOL 135-15, n´umero de s´erie LM0870, do fabricante Dantec Dynamics, emite luz no comprimento de onda 532 nm e ´e controlado pela unidade de potˆencia laser (UPL), modelo LPU-550, n´umero de s´erie 70034/0239, do fabricante Dantec Dynamics.

As part´ıculas de rodamina presentes na fase l´ıquida possuem diˆametro m´edio na faixa de 5µm a 20µm e foram adicionadas a esta fase de forma a garantir a presen¸ca de 10 a 20 part´ıculas por ´area de investiga¸c˜ao [38], sendo a menor ´area de investiga¸c˜ao utilizada neste trabalho correspondente a 8x8 pixels. Quando iluminadas pelo plano laser, as part´ıculas refletem luz no comprimento de onda da luz incidente (532 nm), bem como emitem luz em um segundo comprimento de onda, na faixa entre 550 a 670 nm [39], com pico de intensidade entre 570-575 nm [39, 40]. A fim de somente captar a luz emitida pelas part´ıculas e pela ilumina¸c˜ao de fundo gerada pelos LEDs, eliminando os efeitos indesejados do reflexo do laser na parede da tubula¸c˜ao, utiliza-se um filtro ´otico junto `a lente da cˆamera que permite a passagem de luz com comprimento de onda superior a 570 nm. O resultado luminoso gerado

Figura 3.3: Desenho esquem´atico da montagem dos equipamentos envolvidos na visualiza¸c˜ao e capta¸c˜ao das imagens.

A cˆamera, a UPL e os LEDs est˜ao conectados a um sincronizador, modelo 9080N0772, n´umero de s´erie 702, do fabricante Dantec Dynamics, respons´avel pela sincroniza¸c˜ao de acionamento destes trˆes equipamentos. O esquema de conex˜ao en- tre os dispositivos ´e apresentado na Figura 3.5, onde se ressalta a utiliza¸c˜ao de uma ponte entre os trˆes conjuntos LED que permite o acionamento destes componentes concomitantemente, garantindo a ilumina¸c˜ao regular de fundo em todas as imagens captadas.

Tanto a cˆamera, quanto o sincronizador, est˜ao conectados a um microcomputador que possui 8 Gb de mem´oria RAM, processador Intel(R) Core(TM) i3-4160 e sistema operacional Windows 7 Professional 64 bits, onde o software Dynamic Studio 2015a, vers˜ao 4.15.115, atua como inteface entre o usu´ario e os equipamentos de visualiza¸c˜ao e capta¸c˜ao de imagens, permitindo, via sincronizador, o controle destes dispositivos, bem como a visualiza¸c˜ao e o armazenamento das imagens diretamente enviadas pela cˆamera. Este software apresenta diversos parˆametros para configura¸c˜ao dos dispositivos a ele conectados que, por consequˆencia, ajustam a forma na qual as imagens s˜ao captadas. Os parˆametros que se destacam s˜ao a frequˆencia de capta¸c˜ao das imagens igual a 15 Hz, o modo de capta¸c˜ao em duplo quadro (double frame),

Figura 3.4: Resultado luminoso gerado pelo conjunto {laser, part´ıculas, LED, pel´ıcula alaranjada} (adaptado de LINDKEN e MERZKIRCH [2]).

Figura 3.5: Conex˜ao entre sincronizador, cˆamera, UPL e LEDs.

ou seja, um par de imagens por ciclo, separadas, temporalmente, por 600 µs e a quantidade de pares de imagem captadas igual a 4.000 pares. Os demais parˆametros ajustados no software, bem como os parˆametros de ajuste dos dispositivos aqui mencionados, s˜ao descritos no apˆendice B.