O PTICAL BACKSCATTER SENSOR ( OBS )

O Optical Backscatter Sensor ou OBS mede a turbidez e a concentração de sólidos suspensos detetando a luz infravermelha dispersa pela matéria em suspensão e é usado em laboratórios para avaliar o transporte sedimentar.

Concetualmente, a turbidez é uma expressão numérica em unidades de turbidez (NTU) das propriedades óticas que fazem com que a água pareça nebulosa ou turva, como resultado da leve dispersão e absorção da matéria em suspensão. Operacionalmente, um valor de NTU é interpolado entre valores de dispersão de luz próximos adquiridos segundo padrões de calibração tais como Formazin®, StablCal® ou SDVB®. A turbidez é resultante da matéria suspensa e dissolvida, como sedimentos, plâncton, bactérias, vírus e tintas orgânicas e inorgânicas. Em geral, à medida que a concentração de matéria suspensa na água aumenta, também aumenta a sua turbidez, e à medida que a concentração de matéria absorvente de luz dissolvida aumenta, a turbidez tende a diminuir. A resposta do sensor OBS depende em grande parte do tamanho, composição e forma das partículas em suspensão, e por este motivo, o sensor deve ser calibrado com sólidos em suspensão da água em que vai ser usado.

Fig. 4.12 - Sensores Campbell Scientific OBS-3+ (esquerda) e OBS300 (direita). Diferem na maneira como sondam a superfície: o OBS-3+, utilizado neste estudo, tem o sensor localizado na ponta (na fotografia, zona

Não existe um turbidímetro padrão ou uma fórmula universal que converta valores de NTU para unidades físicas como mg/L ou ppm. Os valores de NTU não têm significado físico, químico ou biológico intrínseco. Correlações empíricas entre turbidez e condições ambientais, estabelecidas através de calibração em campo, podem ser úteis em investigações relacionadas com a qualidade da água ou transporte sedimentar.

O sensor utilizado foi do tipo OBS-3+, da Campbell Scientific, com ótica lateral. Os sensores OBS-3+ e OBS300 detetam matéria em suspensão em água e turbidez através da intensidade relativa da luz refletida em ângulos que variam entre 90 e 165°, em água límpida. Um esquema 3D dos principais componentes do OBS-3+ é apresentado na figura 4.7. A fonte de luz do OBS é díodo laser de emissão de superfície em cavidade vertical (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser diode – VCSEL), que converte 5 mA de corrente elétrica em 2000 μW de potência ótica. O detetor é um fotodíodo de silicone de baixa dispersão com recetividade de NIR (Near Infrared Reflectance) reforçada.

Um defletor de luz previne a iluminação direta do detetor pela fonte de luz e um acoplamento de fase, que de outra maneira produziria sinais tendenciosos grandes. O filtro de rejeição da luz diurna bloqueia a luz visível no espetro solar e reduz interferências provocadas pela luz ambiente. Em adição ao filtro, um circuito de deteção síncrono é usado para eliminar os sinais tendenciosos provocados pela luz ambiente.

O VCSEL é ativado por uma fonte de corrente de voltagem controlada e de compensação de temperatura (VCCS). O ângulo de divergência do feixe da fonte VCSEL é 42° (95% da potência do feixe está contida num cone de 42°).

Neste estudo o OBS foi orientado para baixo, ou seja, o feixe NIR estava apontado para o fundo do tanque e não para a superfície (ver figura 4.14). O facto de o aparelho ter sido colocado próximo da superfície, nomeadamente nos modelos B e C, induziu erros de sinal provenientes de matéria suspensa na superfície da água, podendo comprometer os resultados do OBS. Sendo assim, ao alterar a posição do OBS, ficou assegurado que este iria ler somente a areia em suspensão.

Fig. 4.13 - Legenda: Componentes (em cima) e orientação do feixe de origem e cone de receção do detetor (em baixo) do OBS-3+ (adaptado do manual do OBS)

Fig. 4.14 - Orientação do sensor OBS (em cima) e o sensor colocado por cima do tubo (em baixo), onde é possível verificar que o sensor estava muito próximo da superfície e que nesta se encontrava material suspenso

que poderia afetar a leitura do OBS

O sensor OBS deve estar ligado a um aparelho de receção como um datalogger, que proporcione alimentação, digitalize o sinal, converta o sinal em unidades de engenharia e registe os dados. O datalogger utilizado era do tipo CR800.

O OBS-3+ é um sensor de gama dupla (dual range), tendo tanto um output de gama baixa como um de gama alta, low-range e high-range output, respetivamente. As gamas baixas padrão são de 250, 500, 1000 ou 4000 NTU, e as correspondentes gamas altas de 1000, 2000 e 4000 NTU. Na tabela 4.3 são

Tabela 4.3 - especificações do OBS (adaptado do manual do aparelho)

A figura 4.15 mostra a configuração dos cabos recomendada para ligar o sensor OBS ao datalogger. Nesta configuração os inputs analógicos de saída simples são usados para medir a voltagem dos sensores OBS. O cabo vermelho é ligado a um canal de 12 V, que permite que o sensor OBS possa ser desligado quando não estiver a fazer medições, reduzindo o consumo.

Temperatura operacional 0° a 40°C

Turbidez (baixa/alta) 250/1000 NTU; 500/2000 NTU; 1000/4000 NTU

Lama1 5000 a 10000 mg/L

Areia1 5000 a 10000 mg/L

Precisão

Turbidez2 2% da medição ou 0.5 NTU

Lama2 2% da medição ou 1 mg/L Areia2 4% da medição ou 10 mg/L Altura OBS-3+ 14.1 cm OBS300 13.1 cm Diâmetro 2.5 cm Peso 181.4 gramas Potência

Output de voltagem 5 a 15 Vdc/15 mA (outputs em Volts)

Transmissor 4-20 mA 9 a 15 Vdc/45 mA máx. (output de 4 a 20 mA)

Comprimento de onda operacional 850 ± 5 nm

Potência ótica 2000 μW

Desvio <2% por ano

Rejeição da luz diurna -28 dB (re: 48 m/cm2)

Taxa máxima de aquisição 10 Hz

Profundidade máxima

Corpo de aço inóxidável 500 m

Corpo de titânio 1500 m

2 _{O que for maior}

1 _{A gama depende do tamanho, forma e refletividade da partícula} Gamas

Fig. 4.15 - OBS-3+ ligado ao datalogger CR800 (adaptado de Moreira, 2013)

A aquisição dos dados é feita através do software PC200W da Campbell Scientific. O software permite o controlo da aquisição através de uma janela como a presente na figura 4.16. O operador deve ligar a aquisição de dados no botão Connect. No ecrã aparecerá uma mensagem indicando que o sensor OBS está ligado corretamente ao datalogger.

É possível ver em tempo real a aquisição dos dados na opção Monitor Data e a contagem de NTU’s a serem medidos, adicionando a opção NTU no comando .

Fig. 4.17 – Contagem em tempo real de NTU’s

Quando a aquisição dos dados terminar, deve-se clicar na opção Disconnect e proceder ao armazenamento de dados na opção Collect Data.

No capítulo 5, é feita uma descrição pormenorizada da análise dos dados do OBS e da sua importância para o estudo do transporte sedimentar.