This work proposes the design of a prototype for lightning detection, which will count the number of lightning detected, calculate the lightning density in the sensor's operating area and estimate the peak of the electric field change at the moment. discharge occurrence. A study of atmospheric electricity, types of lightning, emission of electromagnetic waves during lightning occurrence, types of electromagnetic sensors and lightning detection networks subsidized the design of the prototype. The prototype consists of two antennas, a ring antenna and a flat plate antenna, and electronic circuits, these electronic circuits are mainly implemented in the PSoC (Programmable System-on-Chip) device, which is a relatively new technology that works with analog and digital. signals and also has a CPU to perform the processing of these signals. The validity of the obtained data and the estimated sensor coverage area were based on the data from the STARNET network (spherics Timing And Ranging NETwork).
PROBLEMATIZAÇÃO E HIPÓTESE
Portanto, o planejamento e o perfeito funcionamento das linhas de energia que transmitem energia para esses centros de consumo e interligam as instalações de produção, mapeando a ocorrência de descargas atmosféricas na área onde essas linhas de energia estão instaladas, enfim, a importância de projetar sistemas mais robustos contra esta fenômeno natural é essencial.
OBJETIVOS
ASPECTOS METODOLÓGICOS
ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
O quarto capítulo apresenta os sensores e a rede de localização e detecção de raios instalados no estado do Pará, abordando suas funcionalidades, seu modo de funcionamento e sua importância para o estudo do fenômeno relâmpago na região Amazônica. O quinto capítulo apresenta o projeto do protótipo desenvolvido, abordando o projeto e operação de cada subsistema do protótipo. O sétimo capítulo é composto pelas conclusões obtidas com a execução deste trabalho, e sugestões para trabalhos futuros visando melhoria do protótipo e implementação de novas funcionalidades.
ELETRICIDADE ATMOSFÉRICA E ASPECTOS FÍSICOS E DE
- INTRODUÇÃO
- A NATUREZA ELÉTRICA DA ATMOSFERA
- Campo elétrico de tempo bom
- Circuito elétrico atmosférico global
- ELETRIFICAÇÃO DAS NUVENS
- Teoria da convecção
- Teoria da precipitação
- TIPOS DE RAIOS
- PROCESSOS COMPONENTES DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
- CAMPOS ELETROMAGNÉTICOS EMITIDOS PELAS DESCARGAS
- PROPAGAÇÕES DOS SFERICS NO GUIA DE ONDA TERRA-IONOSFERA
- ASPECTOS VISÍVEIS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
- ASPECTOS SONOROS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
O campo elétrico do bom tempo foi descoberto por Lemonner e Beccaria, este campo ocorre quase inteiramente devido ao excesso de íons positivos sobre os íons negativos na atmosfera. Para compreender melhor o campo eléctrico com bom tempo, devemos assumir que a superfície da Terra absorve uma certa quantidade de iões negativos, o que resultará num ligeiro excesso de cargas negativas na superfície. O número de linhas de campo produzidas por cargas positivas na superfície da Terra, divididas por uma unidade de área desta superfície, também é conhecido como Campo Elétrico.
CARACTRISTICAS DO SENSORES E REDES DE DETECÇÃO
INTRODUÇÃO
SENSORES DE CAMPO MAGNÉTICO E ELÉTRICO
- Sensores de campo elétrico
- Sensores de campo magnético
Em alguns casos práticos esta carga pode ser medida diretamente, mas é a partir do campo elétrico gerado pelas cargas elétricas que a maioria das medições são feitas na prática. A medição do campo elétrico é geralmente usada para detectar, localizar e quantificar fontes de carga estática e avaliar a influência dessas cargas. Um campo elétrico está associado a uma distribuição de carga em uma superfície condutora, como na equação abaixo.
Como a placa plana é muito menor que o comprimento de onda do campo elétrico, podemos considerar que as cargas na superfície da placa estão distribuídas uniformemente (Figura 15). Se a antena for exposta a uma função degrau do campo elétrico, sua saída responderá proporcionalmente à variação deste campo, mas decairá de forma diferente da constante de tempo (RC) do circuito integrador de entrada. As limitações foram superadas com o uso de uma porta aterrada para modular a indução de cargas na placa de censura devido a um campo elétrico incidente.
O princípio de funcionamento do Moinho de Campo é o seguinte: o obturador é montado acima dos eletrodos e girado para cobrir e expor periodicamente os eletrodos ao campo elétrico. Quando o eletrodo é exposto ao campo elétrico atmosférico através do obturador, uma corrente é induzida de ou para a terra, dependendo da polaridade do campo elétrico atmosférico. Os moinhos de campo são mecanicamente mais complexos que os sensores de posição plana, mas são muito mais sensíveis, não necessitam de reinicialização em áreas sem campo elétrico e podem ser usados na presença de ar ionizado.
Também são de interesse os sinais irradiados na faixa de 10 a 30 MHz, que estão associados ao efeito corona e às rápidas mudanças no campo elétrico.
REDES E SISTEMAS DE DETECÇÃO E LOCALIZAÇÃO DE DESCARGAS
Neste método, cada sensor identifica o tempo de chegada do campo elétrico polarizado verticalmente (ondas superficiais) de uma descarga atmosférica. O princípio básico do método TOA é calcular a diferença no tempo de chegada das descargas entre as estações de uma rede de detecção. Os tempos de chegada calculados por cada par de sensores produzem regiões em forma de hipérboles, a intersecção dessas hipérboles são os possíveis locais da descarga atmosférica.
O método Time of Group Arrival – TOGA analisa o tempo de chegada do grupo do sinal eletromagnético de retrodescarga no espectro VLF (6-20 kHz). O tempo de chegada do grupo é definido considerando que a ionosfera e a superfície terrestre são homogêneas e portanto a velocidade da fase pode ser reconhecida. A relação para o tempo de chegada do grupo é feita somando o valor médio do tempo do grupo com o tempo GPS absoluto, denotado como (ts), que é o tempo necessário para o sinal se propagar do evento até o sensor conforme definido por: (24).
O sistema de localização de raios pelo método ATD consiste na detecção de esféricos gerados por descargas atmosféricas, este sinal é detectado por cada sensor da rede e é utilizado para calcular a diferença de tempo de chegada (ATD) dos esféricos com base na correlação temporal entre diferentes receptores de rádio. Cada ATD representa posições na superfície da Terra com a mesma diferença de horário de chegada e é representada por hipérboles. É calculado o tempo de chegada deste esférico especial à outra estação que o recebeu, relativo à estação de referência.
Então, calculando todas as diferenças de tempo de chegada entre as estações e a referência, pode-se traçar uma linha representando todas as localizações teóricas com a mesma diferença de tempo de chegada entre duas estações não de referência.
O FUTURO DAS MEDIÇÕES
SENSORES E REDES INSTALADOS NO PARÁ
- INTRODUÇÃO
- LLP- LIGHTNING LOCATION AND PROTECTION ( MODELO 430 TSS)
- GLOBAL ATMOSPHERIC, INC (SENSOR LPATS-IV) (45)
- STARNET
O processo de detecção deste sensor começa quando o sensor detecta a energia produzida por uma onda de radiofrequência proveniente de uma descarga de retorno.A detecção é feita por antenas e receptores eletrônicos com largura de banda entre 1 KHz e 350 KHz. Os sinais na entrada do sensor são analisados e processados, os sinais cuja forma de onda não se assemelha à de uma descarga de retorno são descartados. Este processo de distinguir a forma de onda de descarga de retorno foi uma grande inovação na época e foi patenteado pela LLP. Este método é essencial para evitar falsos avisos de descarga.
A direção do feixe NT é determinada pelo campo magnético capturado por uma antena formada por duas voltas ortogonais. Os receptores remotos obtêm as informações necessárias para a unidade central de análise, que calcula a localização do raio e disponibiliza essas informações aos usuários da rede. Quando um raio é detectado por um sensor, o momento exato da ocorrência do pico da forma de onda é enviado ao centro de processamento.
Todos esses dados, localização; polaridade, corrente de pico e forma de onda são registradas em um banco de dados para estudos futuros. Os sensores medem continuamente o campo elétrico vertical emitido por descargas atmosféricas na faixa de frequência entre 7 e 15 kHz e identificam formas de onda Sferics no sinal. Os algoritmos de processamento de sinal do receptor são otimizados para separar esféricos fracos e distantes da interferência do sensor próximo.
É necessária uma detecção mínima de 4 formas de onda Sferics para calcular a localização do raio usando um método de diferença de tempo de chegada (ATD).
PROTÓTIPO DE UM SENSOR DE DESCARGA ATMOSFÉRICA
- INTRODUÇÃO
- O PSoC
- ANTENA FLATE PLATE
- ANTENA LOOP
- AMPLIFICADORES
- COMPARADOR
- CONVERSOR AD
- LCD
- ALGORITMOS
- Algoritmo Contador
- Programa Densidade De Raios
- Algoritmo De Digitalização Do Campo Elétrico
- CUSTOS DE DESENVOLVIMENTO
- QUADRO DE COMPARAÇÃO DO PROTÓTIPO DESENVOLVIDO E O
O primeiro dado é o número de raios detectados (NR), o segundo é a densidade de raios (DR) da área onde o sensor funciona e o terceiro dado é o resultado da conversão analógico-digital proveniente da antena plana. . A arquitetura PSoC, conforme mostrado na Figura 48, consiste em quatro áreas principais: o núcleo PSoC, o sistema digital, o sistema analógico e o sistema de recursos. Um capacitor ressonante foi usado em paralelo com as saídas da antena para sintonizar a antena na frequência desejada de 10 Khz.
Para a entrada da antena Loop foi utilizado um amplificador com ganho de 24 no primeiro estágio, e no segundo estágio ganho de 2. A Figura 52 mostra o teste realizado com o amplificador do estágio de pré-condicionamento da Antena Loop , o amplificador é projetado para ter um ganho de 24, e como podemos ver na Figura 52, a análise das tensões Vrms na entrada e na saída do amplificador verifica se o ganho projetado corresponde. A Figura 53 mostra o teste dos dois estágios de amplificação, como mencionado anteriormente, o primeiro estágio foi projetado para ter um ganho de 24 e o segundo de 2, um total de 48, mas como podemos ver na Figura 52, o ganho real foi 45.87.
Para desenvolver este dispositivo, foi projetado um filtro passa-banda para ser conectado à saída do amplificador de loop. A tela LCD exibirá os dados 3, NR que corresponde ao número de raios detectados, DR que é a densidade dos raios para a área de instalação do sensor e E que é a intensidade máxima do campo elétrico no momento em que ocorre a descarga. O segundo algoritmo é aquele que calculará a densidade do raio para a área de instalação da antena, e o terceiro irá digitalizar o calor do campo elétrico e exibi-lo no LCD ao mesmo tempo em que o raio foi detectado.
O algoritmo e contador de digitalização do campo elétrico monitorará constantemente esta porta 1 [2] e no momento em que ela passar de 0v para 5v irá digitalizar o sinal vindo da antena parabólica e disponibilizar esse valor no LCD. .
TESTES E RESULTADOS
- INTRODUÇÃO
- TESTE COM GERADOR DE SINAL
- TESTE COM CENTELHADOR ATLAS 4B
- TESTE DURANTE TEMPESTADES
Distâncias entre o sensor e o feixe mais distante do sensor que foi detectado e a distância entre este feixe e o feixe mais próximo do sensor que não foi detectado. Para determinar o parâmetro de área, foi calculada a média das amostras obtidas, resultando em uma área de cobertura do sensor de 25.195 km². A tabela abaixo apresenta os valores de cada amostra para uma mesma configuração e mesmo número de sensores ativos na rede STARNET.
É importante destacar que esta metodologia deve ser adotada toda vez que o local de instalação do sensor for modificado, pois, em uma área sem interferências e sem muitas edificações, o sinal recebido pela antena será maior, o que consequentemente aumentará a área de cobertura do sensor. Os testes foram fundamentais para; verificar os níveis dos sinais captados e, principalmente, identificar a área de cobertura do sensor. Esta área de cobertura é baseada em testes durante tempestades e comparações de dados obtidos do sensor com dados da rede STARNET.
Utilizando esta metodologia, foi considerada uma área de operação do detector de aproximadamente 25.185 km² para o modo de instalação indoor. Visando a futura instalação da primeira torre instrumentada para medição de descargas atmosféricas na Amazônia, este projeto poderá gerar dados mais confiáveis, baseados em dados reais de descargas atmosféricas captados pela torre instrumentada. Efeitos das descargas elétricas nuvem-solo no sistema telefônico de Belém no período 95-96.
NOVA METODOLOGIA PARA IDENTIFICAÇÃO DE PONTOS CRÍTICOS DE DESEMPENHO EM LINHAS DE TRANSMISSÃO BASEADA NA APLICAÇÃO DE SISTEMAS DE LOCALIZAÇÃO DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS.
