ESTUDO E ANÁLISE DO PLUVIÔMETRO DA ESTAÇÃO
SQUITTER – MODELO S2163
Eduardo Jensen Cechinel Guilherme Carmo Isoppo
Isla Folchini Pereira
Centro Federal de Educação Tecnológica de Santa Catarina. Av. Mauro Ramos 950-Centro Florianópolis/SC.
RESUMO
Este estudo observacional tem como objetivo realizar uma verificação no funcionamento do pluviômetro da estação portátil Squitter do tipo ISIS, modelo S2163, considerando volume, área de captação e valor registrado no Datalogger. Foram muitos os fatores que influenciaram nos resultados finais do estudo, como o modo em que foi configurado e construído o equipamento, isso fez com que apresentasse algumas deficiências constatadas no estudo.
PALAVRAS CHAVES: Estação Automática Portátil, Básculas, Cálculos Estatísticos, Precipitação, Volume e Área.
Análise do pluviômetro da estação meteorológica automática
portátil SQUITTER
1. INTRODUÇÃO
A descrição de fenômenos naturais envolve a realização de medidas. As medidas devem ser expressas em um sistema de unidade conhecido e padronizado, estando sempre sujeito a erros, sendo que esses erros devem estar dentro da margem estabelecida pelo fabricante, porem muitas vezes nem sempre quando comparadas apresentam os mesmos dados. Por esse motivo surgiu a curiosidade de investigar um dos sensores meteorológicos em diferentes condições de tempo, a fim de conhecer e entender melhor o funcionamento de uma estação meteorológica automática e comprovar sua eficiência.
O instrumento meteorológico estudado é o pluviômetro. É usado para medir a altura da chuva de distribuição horizontal, supostamente homogênea e não submetida à evaporação. O pluviômetro utilizado na experiência pertence à estação agrometeorológica de superfície Squitter S2163 do tipo ISIS. É um coletor de chuva com capacidade ilimitada, baseado num mecanismo de báscula com equilíbrio instável.
Como essa estação é semiprofissional os dados por ela processados tem que ter uma boa confiabilidade para realmente expressar os dados com menor percentual de erro possível.
Temos que levar em conta que os integrantes encontraram certas dificuldades na execução do projeto, pois, testes para este tipo de estação têm que ser realizados em laboratório para que não ocorra interferência do meio externo.
2. EMBASAMENTO TEÓRICO
2.1 Precipitação
A precipitação é definida como o conjunto de partículas líquidas ou sólidas da condensação do vapor d'água que caem das nuvens. A quantidade total da precipitação que alcança o solo em um determinado período é expresso como a altura que a mesma cobriria, na forma líquida, uma projeção horizontal da superfície da Terra. A unidade adotada internacionalmente para medir a
precipitação é o milímetro (mm). A escolha do milímetro ocorreu por razões práticas, onde uma lâmina de 1mm de espessura corresponde a distribuição uniforme de 1 litro de água numa superfície plana horizontal de um metro quadrado.
Uma quantidade de precipitação inferior a um décimo de milímetro (0,1 mm) é considerado inapreciável. Tomadas certas precauções, as formas sólidas de precipitação, após a fusão, podem ser medidas da mesma forma como se mede a precipitação líquida.
2.2 Instrumento de medição
Consiste de um funil coletor (protegido por uma tela de alumínio com passo de 5mm) de alumínio com borda em faca que direciona a água para um mecanismo de báscula. Somente peças mecânicas de alumínio ou aço inoxidável são utilizadas no sensor. Para aumentar ainda mais a durabilidade do equipamento e evitar a corrosão, o contato de importantes peças móveis feitas de diferentes materiais metálicos é evitado com o uso de buchas e espaçadores de nylon. Todas as partes de alumínio do abrigo são anodizadas respeitando-se normas para aplicações marítimas. O cilindro externo do pluviômetro recebe pintura a pó branco e brilhante para diminuir a condutividade térmica.
As características principais desse equipamento são capacidade ilimitada, calibração métrica, nível de bolha interno, tela de proteção contra detritos, resistente à corrosão. A operação do pluviômetro é basicamente um imã acoplado à báscula e uma chave magnética a cada mudança de posição do mecanismo, produzindo um fechamento momentâneo da chave. Quando a quantidade de chuva acumulada em uma báscula ou concha, atinge aproximadamente 0,25 mm, o peso desta quantidade de líquido aciona o mecanismo, fechando um relé magnético, descartando o líquido e preparando a outra concha para receber nova quantidade de líquido.
Na instalação e na manutenção periódica, o sensor pode ser nivelado manualmente pelos três parafusos internos de ajuste.
3. MATERIAL E MÉTODOS
O artigo consiste no estudo do pluviômetro de báscula modelo S2163 da estação portátil Squitter, especificamente na quantidade e eficiência na captação das básculas que, de acordo com o
fabricante é de 0,25mm de chuva cada uma. Para o melhor entendimento abaixo estão algumas especificações do equipamento. Especificações do manual: - Diâmetro do funil:... 15.2cm - Área de coleta:... 181.5cm² - Erro:... 1% (até 20mm/h) - Resolução... 0.25mm
Foram realizados dois testes para verificação da exatidão e precisão do instrumento:
a) análise da báscula: verificar a capacidade volumétrica da cada báscula necessária para o tombamento, de forma a determinar sua acurácia individual.
b) teste de precipitação: simulação de precipitação, com intensidades diferentes, de forma a verificar a acurácia e precisão do conjunto e a propagação do erro por basculada.
3.1 Análise da báscula
Este experimento consiste em gotejar água na báscula, utilizando-se uma pipeta milimetrada (figura 1), até seu tombamento. Medindo-se o volume restante na pipeta, verificou-se o volume basculado.
Para a análise da báscula surgiu a necessidade de fazer uma marcação para uma melhor identificação das básculas na qual foi chamada de B1 a báscula da esquerda e B2 a báscula da direita, como está na figura 2.
Figura 1 – Pipeta milimetrada de 5ml. Figura 2 – Identificação dos lados das básculas.
3.2 Teste de precipitação
Foi desenvolvido um instrumento com a finalidade de simular diferentes condições de precipitação. Este equipamento consiste em uma garrafa graduada de 500ml (figura 3) conectada a uma mangueira com um registro adaptado na ponta da mesma que permite o controle do fluxo de água (figura 4).
O controle do fluxo (figura 4) foi um fator determinante para o bom andamento do projeto, sem ele seria praticamente impossível manter a vazão da água necessária para a um certo intervalo de tempo.
Figura 3 – Recipiente de 500ml. Figura 4 – Válvula de controle de fluxo de água.
Com uma vazão controlada, a precipitação era então simulada montando-se o recipiente com o registro, sobre a área de captação do pluviômetro (figura 5).
Figura 5 - Esquema montado na simulação de chuva, área de captação do pluviômetro e válvula de controle de fluxo.
4. RESULTADOS
4.1 Testes com volume das básculas
Os testes realizados com as básculas, B1 e B2 (Figura 2), mostraram que existe erro associado. A B1 caçamba com uma quantidade inferior a 0,25mm, em média de 0,219mm e a B2 com uma quantidade superior, com média de 0,272mm. Calculando a média desses valores obtemos 0,245mm, bastante próximo ao valor nominal de 0,25mm.
A capacidade da báscula em milímetros de precipitação foi determinada pelo volume equivalente para uma área de captação conhecida.
Onde: h – nível de precipitação v – volume da báscula
A – área do coletor do pluviômetro
Foram utilizadas também as seguintes formulas do erro absoluto e relativo, respectivamente:
Considerando o valor nominal de 0,25mm por báscula e a área de 181,5cm² do coletor, temos um volume nominal por báscula de 4,54ml.
Na tabela 1 a seguir estão compilados os dados da Média, Erro Absoluto, Erro Relativo e a Média dos valores B1, dos valores B2 e dos valores B1 e B2.
Média do volume (100 amostras)
ml mm Erro absoluto (mm) Erro Relativo (%) B1 3.980 0.219 B2 4.930 0.272
Média dos valores B1 e B2 4.455 0.245 0.005 2.04
Tabela 1: Calculo de 100 amostras.
Para analisar a propagação do erro da báscula nos experimentos de simulação de precipitação, foi conferido o número aproximado de basculadas para cada experimento. A tabela 2 mostra o erro absoluto para cada intensidade de chuva, considerando o numero aproximado de básculas.
N° de basculadas
Precipitação registrada aproximada (mm)
Erro absoluto acumulado devido à báscula (mm) 600 150 3.00 360 90 1.80 140 35 0.70
Tabela 2: Cálculos do erro absoluto para cada intensidade de chuva.
4.2 Testes de Precipitação
A simulação de precipitação foi realizada com níveis distintos de água, para se verificar o desempenho do pluviômetro com diferentes intensidades de chuva. O experimento foi realizado definindo-se uma abertura da válvula, realizando-se a medição por 10 min. Com o volume medido determinou-se o nível de precipitação em milímetros por hora.
Obs 1: considerando-se a imprecisão do registro, o valor real de precipitação apresenta valores não inteiros.
Obs 2: foram realizadas 4 medições por experimento.
Foram usadas as seguintes fórmulas para calcular a precipitação real:
Onde: Pr – precipitação (mm) em 10 minutos de medição Vrec – volume de água no recipiente
Acap – área de captação Conversão para mm/h:
Na tabela 3 podem ser observados os erros absolutos e relativos com relação a cada experiência.
Quant. de chuva real (mm/h)
Quant. média de chuva
registrada (mm/h) Erro absoluto (mm) Erro relativo (%)
165,29 148,13 17,17 10
99,17 90,75 8,42 8
36,73 35,83 0,90 2
Tabela 3: Erros associados a cada experiência.
O gráfico 1 representa as curvas do valor real e do valor médio.
Volume Re al e M édio 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 0 1 2 3 4 Valor real Valor Médio 1 2 3 4
Gráfico 1: Curvas dos valores reais e médios; os números 1, 2, 3 e 4 da legenda representam todos os dados de cada simulação; o numero 1 no eixo X significa os valores da chuva de 165,29mm/h, o numero 2 no eixo X significa os valores da chuva de 99,17mm/h e o numero 3 no eixo X significa os valores da chuva 36,73mm/h; os valores do eixo Y representam a quantidade de chuva em milímetros.
5. CONCLUSÃO
De acordo com as experiências realizadas, foi possível constatar que o pluviômetro da estação Squitter apresenta algumas deficiências.
O erro absoluto da média do volume das básculas foi pequeno em relação ao erro absoluto constatados nas simulações. Ou seja, se o erro fosse causado somente pelas básculas, a diferença entre o valor real e o valor médio seria muito menor, mas como foi percebido ao observar o gráfico, esse erro é significativo. No caso da simulação de 165,29mm/h tem um erro absoluto de 17,17mm/h, enquanto que deveria ser de aproximadamente 3,00mm/h, assim podemos dizer que existem outros erros associados a essa diferença. Foi observado ainda que quanto maior é a quantidade de água na simulação, maior é o erro (o valor médio sempre está abaixo do valor real).
Através dos testes concluídos foi observado que os erros apresentados pela estação são mais de origem sistemático que aleatório, ou seja, há uma diferença significativa entre o valor real e o registrado, mas pouca variação entre as medições.
Observaram-se duas situações que podem produzir este aumento de erro com o aumento da precipitação:
a) com maior vazão, várias gotas acabaram se perdendo na transição de básculas, no momento do tombamento;
b) imperfeições no desenho da báscula permitem o acúmulo de gotas, fazendo com que o tombamento ocorra antes do momento correto. Esse acúmulo é maior em precipitações maiores.
O projeto foi muito proveitoso para a equipe e envolveu todas as cadeiras do módulo 4. Proporcionou uma visão do que é instrumentação na prática.
5.1 Sugestões
a) diminuir a área de contato na ponta da báscula, ou seja, evitar ao máximo que ocorra o acúmulo de água nas paredes da mesma, pois afinando a extremidade por onde a água cai, proporciona o gotejamento evitando o acúmulo de água (figura 6);
Figura 6 – Báscula da estação de marca Vaisala.
b) regular o parafuso que mantém o equilíbrio instável do sistema de básculas alternadas, que é constituído de uma haste apoiada em seu centro com conchas nas extremidades, formando uma espécie de gangorra. A altura da mesma é definida por um par de parafusos que quando na posição exata, tomba cada lado da gangorra (B1 e B2) com exatamente 0,25mm, e não com 0,22mm e 0,27mm respectivamente como as mesmas demonstraram no estudo (figura 7).
AGRADECIMENTOS
A equipe de estudo conta com os alunos Eduardo Jensen Cechinel, Guilherme Carmo Isoppo e Isla Folchini Pereira do módulo quatro do curso técnico de Meteorologia, orientada pelo Professor Eduardo Beck e com a grande ajuda do professor Mário Francisco Leal de Quadro e Carlos Araújo, que cooperaram de forma fundamental para a realização deste estudo.
REFERÊNCIAS
Biblioteca virtual meteorologia cefet-sc
http://www.cefetsc.edu.br/meteorologia/biblioteca_virtual/manob_capitulo_6.htm#N Acessado em 26/08/2005
Termos Técnicos em Hidro e Agrometeorologia
http://www.cnps.embrapa.br/search/pesqs/tema6/tema6.html#p Acessado em 22/07/2005
Informações técnicas squitter http://www.squitter.com.br Acessado em 11/05/2005
Dicionário de química
http://www.rossetti.eti.br/dicuser/detalhe.asp?vini=16&vfim=16&offset=200&vcodigo=1406 Acessado em 01/08/2005
