Universidade Federal Do Recôncavo Da Bahia
Centro De Ciências Exatas E Tecnológicas
Bacharelado Em Ciências Exatas E TecnológicasBRUNA DUARTE DOS SANTOS
CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE MEDIÇÃO DE
FLUXO DE SEIVA PELOS MÉTODOS DE PULSO DE CALOR E O
DA DISSIPAÇÃO TÉRMICA NO TRONCO DO CACAUEIRO
Cruz das Almas 2019
BRUNA DUARTE DOS SANTOS
CONSTRUÇÃO E AVALIAÇÃO DE SISTEMA DE MEDIÇÃO DE
FLUXO DE SEIVA PELOS MÉTODOS DE PULSO DE CALOR E O
DA DISSIPAÇÃO TÉRMICA NO TRONCO DO CACAUEIRO
Trabalho de Conclusão de Curso da graduação apresentado ao Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Ciências Exatas e Tecnologia.
Orientador: Prof. Dr. Lucas Melo Vellame
Cruz das Almas 2019
Dedico este trabalho a toda minha família em especial a meus pais Diva e Valmir e meus Avós Dalva e Orlando
AGRADECIMENTOS
Agradeço a todos que fizeram parte desta minha jornada direta ou indiretamente, em especial a Deus pela vida, a meus pais, Diva e Valmir, por todo investimento, apoio, amor e confiança depositado em mim e por serem meu porto seguro. Agradeço a Dona Mariza e a Caio por todo o incentivo e amor que me oferecem. Por fim quero agradecer a meus orientadores Jorge Luis Copquer e Lucas Vellame por terem aberto uma nova porta na minha caminhada acadêmica.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS BACHARELADO EM CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
RESUMO
Os métodos termoelétricos para a determinação do fluxo de seiva das plantas frutíferas são de grande importância para o monitoramento diário de transpiração vegetal e reposição de água através da irrigação. Para a medição do fluxo destacam-se o método de Dissipação Térmica, o método de Balanço de Calor e o método de Pulso de Calor. O método de Pulso de calor mede fluxo de seiva reverso e mostrou-se sensível a medição de pequenos fluxos. Suas sondas possuem dois termopares, um aquecedor e uma placa de aquecimento, foram construídas 11 sondas para este método. O método de Dissipação térmica consiste em fornecer aquecimento constante para o caule da planta através de uma placa com fonte ajustável de tensão e potência constante utilizando a plataforma do Arduino, foram construídas 5 sondas para este método. A presente pesquisa teve como objetivo o desenvolvimento, a programação e a instalação de um sistema de medição de fluxo de seiva pelos métodos de Pulso de Calor e o da Dissipação Térmica no tronco do cacaueiro. Os sistemas devem ter como características o baixo custo, fácil acessibilidade, impulsionando e incentivando o desenvolvimento científico e tecnológico. Foi aplicado em ambiente protegido no Núcleo de Engenharia de Água e Solo (NEAS) da UFRB em 11 plantas de cacau.Como coletor de dados foi utilizado um sistema de aquisição de dados composto por um Datalogger e um multiplexador. Foram coletados os dados para Pulso de Calor do dia 11 de janeiro a dia 16 de janeiro de 2019, para a Dissipação térmica foi coletado do dia 18 de janeiro ao dia 24 de janeiro 2019. A analise de dados mostra que o método de Pulso de calor é muito mais eficaz que o método de Dissipação Térmica para medição baixos fluxos de seiva. O método de Dissipação térmica não foi capaz de coletar valores para fluxo de seiva, coletando apenas valores para o gradiente térmico natural.
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIA CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS BACHALERADO EM CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ABSTRACT
The thermoelectric methods for determining the sap flow of fruit plants are of great importance for daily monitoring of plant transpiration and water replenishment through irrigation. For the measurement of flow, the Thermal Dissipation method, the Heat Balance method and the Heat Pulse method stand out. The Heat Pulse method measures reverse sap flow and has been shown to be sensitive to the measurement of small flows. Its probes have two thermocouples, one heater and one heating plate, 11 probes were built for this method. The thermal dissipation method consists of providing constant heating to the plant stem through a plate with adjustable voltage source and constant power using the Arduino platform, 5 probes were constructed for this method. The present research had as objective the development, the programming and the installation of a system of measurement of sap flow by the methods of Pulse of Heat and the one of the Thermal Dissipation in the trunk of the cacao tree. The systems should have as characteristics low cost, easy accessibility, boosting and encouraging scientific and technological development. It was applied in a protected environment in the Nucleus of Water and Soil Engineering (NEAS) of UFRB in 11 cocoa plants. As a data collector, a data acquisition system composed of a Datalogger and a multiplexer was used. Data were collected for Heat Pulse from January 11 to January 16, 2019, for the Thermal Dissipation was collected from January 18 to January 24, 2019. Data analysis shows that the Pulse heat is much more effective than the Thermal Dissipation method for measuring low sap flows. The thermal dissipation method was not able to collect values for sap flow, collecting only values for the natural thermal gradient.
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 9
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 11
2.1. Método de Pulso de Calor ... 12
2.2.Método de dissipação térmica ... 14
3. METODOLOGIA ... 16
3.1. Construção das sondas de pulso de calor ... 18
3.2. Construção das sondas de Granier ... 21
3.3. Placas de aquecimento das sondas ... 22
3.3.1 Método de Pulso de Calor ... 22
3.3.2 Método de Granier ... 24
3.4. Programação do Datalogger ... 28
3.5. Instalação e calibração das sondas ... 34
3.5.1. Instalação das sondas do Método de Pulso de Calor ... 34
3.5.2. Instalação das sondas do Método de Granier ... 34
3.5.3. Instalação das sondas no Datalogger e multiplexador ... 35
4. RESULTADOS E DISCURSÕES ... 37
5. CONCLUSÃO ... 42
9 1. INTRODUÇÃO
A busca no aumento da produtividade e qualidade dos frutos implica no conhecimento do manejo da água aplicada na irrigação. Muitas regiões brasileiras, entre elas as produtoras de frutas do Nordeste, necessitam de irrigação durante o ano para viabilizar a produção. (SANTOS, 2005).
Informações a respeito das relações água-solo-planta-atmosfera são fundamentais para o desenvolvimento de estratégias no manejo dos recursos naturais. Essas informações são a base para projeto, planejamento e manejo da irrigação. O monitoramento meteorológico e a medida da variação de armazenamento de água do solo são as estratégias mais utilizadas por produtores e pesquisadores que visam uma irrigação racional. Essas estratégias têm se mostrado simples e eficazes em cultivos anuais que cobrem uniformemente o solo, a aplicação de água também é uniforme e atende a evapotranspiração de forma potencial. Entretanto, essas condições nem sempre são satisfeitas e as metodologias usuais podem se tornar bastante ineficientes (VELLAME e SILVA, 2014).
Para fins de estudos fisiológicos, associados a outras observações, como o potencial da água na folha, à resistência estomática e às variações de diâmetro do caule, a determinação do fluxo de seiva constitui-se numa excelente ferramenta para analisar a reação da planta submetida a diferentes condições hídricas do solo e capacidade evaporativa do ar (JUAN S. Delgado-Rojas1, 2006).
Os métodos termoelétricos para a determinação do fluxo de seiva das plantas frutíferas são de grande importância para o monitoramento diário de transpiração vegetal, e reposição de água através da irrigação. Para a medição do fluxo destacam-se o método de Dissipação Térmica, método de Balanço de Calor e o método de Pulso de Calor.
O método de balanço de calor (MBC) consiste em uma técnica onde se aplica um aquecimento ao longo da circunferência do caule, através de uma fonte de calor, e então o fluxo de massa é calculado através do somatório das perdas e ganhos de calor dos fluxos de seivas ao redor da secção aquecida da circunferência. Ou seja, a potência fornecida pelo aquecedor é igual ao somatório das perdas de calor por condução na direção radial, mais a perdas de calor por condução vertical, mais a energia armazenada pelo caule, mais a energia perdida por convecção no fluxo de seiva. Assim o fluxo de seiva é a energia
10 perdida por convecção dividido pela capacidade térmica da água, dividido pela diferença de temperatura abaixo e acima do aquecedor. (SILVA, 2008).
O método da sonda de dissipação térmica é simples e, comparado ao método do balanço de calor, apresenta as vantagens de possuir maior simplicidade na construção dos sensores, menor custo e necessidade de um número menor de canais diferenciais para medição, viabilizando a tomada de um número maior de dados em trabalhos no campo. (VELLAME et al, 2009). Essas características tornam o método da Dissipação Térmica bastante vantajoso sobre o método de balanço de calor, principalmente para desenvolvimentos científicos acadêmicos.
Dentre os diversos métodos para determinação direta do consumo de água em plantas lenhosas, plantas que são capazes de produzir madeira como tecidos de suporte de seus caules, destaca-se aquele baseado na técnica de pulso de calor, que tem ganhado espaço pela facilidade de automação e pela possibilidade de monitoramento individualizado e contínuo da água na planta, em intervalos de curto tempo. (SANTOS et al, 2005).
Neste trabalho a espécie utilizada para o estudo do fluxo de seiva foi o cacaueiro (Theobroma cacao) e teve como objetivo geral a construção, a programação e a avaliação da aplicabilidade de sistemas de medição de fluxo de seiva no tronco do cacaueiro pelos métodos de Dissipação Térmica e Pulso de calor.
Os objetivos específicos deste trabalho são:
• Construir sistemas de medição de fluxo de seiva com baixo custo e fácil operação. • Programar os equipamentos construídos para sistema de medição de fluxo de
seiva.
• Avaliar a aplicabilidade dos métodos da sonda de dissipação térmica e pulso de calor para a estimativa da transpiração do cacaueiro.
• Desenvolver equipamentos com baixo custo, porém eficiente, para possibilitar a construção destes, nas instituições de pesquisa e em empresas do Nordeste. • Desenvolver uma programação para Arduino afim de facilitar a aquisição e o
11 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A estimativa da água consumida na área cultivada (evapotranspiração) é de grande importância para estudos sobre fisiologia, agrometeorologia e irrigação. A água é absorvida pela raiz e conduzida no tecido vascular vegetal formado por elementos condutores de água (xilema). Ao chegar nas folhas ocorre a saída da água na forma de vapor, processo denominado de transpiração. Durante todo o processo de transpiração, novas moléculas de água são absorvidas, isso permite a formação de um fluxo interno no vegetal, mais conhecido como fluxo de seiva.
A irrigação adequada é necessária para manter a umidade do solo ideal para o bom crescimento das plantas, garantindo a viabilidade econômica. A transpiração é o principal elemento do componente de evapotranspiração em sistemas micro irrigados, porque a água é aplicada apenas a algumas partes de uma área. É extremamente importante determinar a quantidade de água utilizada na irrigação, especialmente para a irrigação de árvores frutíferas, onde este sistema tem sido amplamente utilizado. Atualmente, a maioria dos estudos sobre medidas de transpiração de plantas baseia-se em métodos de fornecimento de calor no tronco. Os sensores são fixados ou colocados no tronco ou ramos da planta para que o fluxo de seiva possa ser medido por um período de 24 h, o que está intimamente relacionado à transpiração. VELLAME (2010).
Como afirma Boehringer et al. (2013), a medição do fluxo de seiva é importante não somente no campo da agrometeorologia, mas também em estudos de natureza fisiológica para identificação de doenças vasculares e estudos destinados à quantificação do movimento de água no sistema solo-planta-atmosfera.
As primeiras tentativas das técnicas termoelétricas, utilizou-se relações simples entre o primeiro pulso de calor induzido medido em um ou mais pontos da jusante no tronco do local de indução de calor, seguida por uma técnica de compensação na qual o fluxo de calor, através da condução, foi possível ter conhecimento para estudo da transmissão de calor de um ponto para outro, (Swanson, 1994). Por fim, a anatomia do caule foi considerada matematicamente e vários métodos de velocidade de seiva (velocidade de pulso de calor) e fluxo de calor (calor térmico) foram propostos para colocar métodos termométricos quantitativos em uma base física e teórica sólida, (SWANSON, 1994).
Atualmente as técnicas termoelétricas mais comum são três e são denominadas por, método de pulso de calor (MARSHALL, 1958), que estuda o movimento de pulso
12 de calor no fluxo de seiva, método de balanço de calor (SAKURATANI, 1981), que trata do movimento da seiva pelo transporte de calor longe de um controle de fonte de calor, e o método de dissipação térmica (GRANIER, 1985), que descreve a relação do calor de dissipação com o movimento da seiva por uma relação empírica.
2.1. Método de Pulso de Calor
Conforme Silva (2008), o princípio básico desse método é promover um aquecimento da seiva em um determinado ponto e acompanhar o comportamento desse calor ao longo do percurso da seiva por meio de sensores de temperatura. Assim, o fluxo de seiva é medido pela determinação da velocidade de um pequeno pulso de calor.
De acordo com Burgess et al. (2001), o método de pulso de compensação de calor (CHPM - Compensation Heat Pulse Method) é de valor limitado para medir baixas taxas de fluxo de seiva nas plantas. Por isso apresenta-se um método de pulso de calor melhorado, denominado método da razão de calor (HRM - Heat Ratio Method), para medir taxas baixas e reversas de fluxo de seiva em plantas lenhosas. O HRM tem várias vantagens importantes sobre o CHPM, incluindo melhor medição alcance e resolução, protocolos para corrigir problemas físicos e térmicos, entre outros.
O método de pulso de compensação de calor e o método da razão de calor, são técnicas que possuem sondas de aquecimento e sensores de temperatura. Os sensores de temperatura são equidistantes a sonda de aquecimento. Burgess (2001) disse que o principio de funcionamento do CHPM exige um aquecedor para ser inserido no xilema uma distância fixa do montante e do ponto médio entre dois sensores de temperatura, assim a velocidade do pulso de calor é determinada gravando o tempo que leva para o pulso viajar por convecção até o ponto médio entre os sensores de temperatura. Quando ocorrer taxas de fluxo de calor baixas, o pulso de calor pode se dissipar por condução antes de atingir o ponto de medição. Em tais casos, os sensores registram temperaturas iguais, porque as temperaturas retornaram aos valores iniciais.
Baseado em Burgess et al. (2001), para o CHPM, duas sondas contendo sensores de temperatura estão alinhados com o eixo de uma haste ou raiz de planta e inseridos radialmente para igual profundidade no xilema. Um elemento aquecedor é similarmente inserido a uma distância fixa a montante do ponto médio entre as sondas de temperatura. Durante a medição, a madeira e seiva são aquecidos em pulsos e através da troca de calor
13 por convecção, o fluxo de seiva conduz o calor para o ponto médio entre as sondas de temperatura.
O HRM possui o mesmo principio de funcionamento do CHPM, com dois sensores de temperatura equidistantes a um elemento aquecedor. A desvantagem muito grande entre o CHPM para o HRM, é que o CHPM só consegue medir o fluxo em uma única direção, e conforme Burgess métodos termométricos que falharem sob condições de fluxo reverso (por exemplo, o CHPM) ou não detectar a direção do fluxo (por exemplo, algum balanço de calor e métodos de dissipação térmica, Burgess, 2001) resultará em erros ou errôneos resultados. Por isso o HRM foi desenvolvido para ser uma técnica melhorada baseada em pulso de calor que seria sensível à direção da fluxo de seiva e capaz de medir baixas taxas de fluxo com precisão.
O método de razão de calor (HRM) mede a razão entre o aumento da temperatura, após a liberação de um pulso de calor, em pontos equidistantes a jusante e ao montante de um aquecedor de linha, calculando pôr fim a velocidade de pulso de calor, que segundo Marshall (1958) é calcula pela equação abaixo:
𝑉ℎ = 𝑘 𝑥ln( 𝑣1 𝑣2)3600 (1) Onde 𝑘 (𝑐𝑚2
𝑠 ) é difusividade térmica do caule, 𝑥 (𝑐𝑚) é a distância entre o aquecedor e a
sonda de temperatura, 𝑣1 e 𝑣2 são incrementos de temperaturas de pontos equidistantes a
jusante e ao montante e 3600 é a quantidade de segundos por hora.
Todas as técnicas de velocidade de pulso de calor são altamente sensíveis a erros decorrentes do espaçamento impreciso da sonda, e segundo Burgess (2001) para a correção do desalinhamento da sonda 𝑉ℎ pode ser calculado pela equação (2).
𝑉ℎ = 4𝑘𝑡 ln(𝑣𝑣1 2) − 𝑥2 2+ 𝑥 12 2𝑡(𝑥1− 𝑥2) 3600 (2)
A partir da equação (2), para um 𝑉ℎ = 0, pode-se calcular 𝑥2 que é o ajuste para
o desalinhamento da sonda, equação (3).
𝑥2 = √4𝑘𝑡 ln
𝑣1 𝑣2
+ 𝑥12
14 Devido a ferida provocada no cacaueiro ocorre uma série de erros na medição da velocidade de pulso de calor por exemplo, a interrupção do caminho de fluxo e a não condução de calor através da madeira (BURGESS, 2001). Por isso Burgess (2001) busca corrigir esse erro utilizando o coeficiente de correção da ferida 𝛽. A equação (4) mostra a velocidade de pulso de calor corrigida (𝑉𝐶).
𝑉𝐶 = 𝛽𝑉ℎ
(4)
Segundo Burgess (2001) a velocidade de seiva pode ser determinada em uma área base correlacionando propriedades de seiva e da madeira, contabilizando suas diferentes densidades, calor específico e capacidades calorificas, a equação (5) abaixo, mostra a expressão para o cálculo da velocidade de seiva (𝑉𝑆).
𝑉𝑆 =
𝑉𝐶𝜌𝑏(𝑐𝑤+ 𝑚𝑐𝑐𝑠) 𝜌𝑠𝑐𝑠
(5)
Onde 𝜌𝑏 é a densidade básica da madeira, 𝜌𝑠 a densidade do fluido (água), 𝑚𝑐 é o teor de
água, e 𝑐𝑤 (1200 𝐽 𝐾𝑔 𝐶°⁄ ) e 𝑐𝑠 (4182 𝐽 𝐾𝑔 𝐶°⁄ ) são capacidades calorificas específicas da madeira e da seiva, respectivamente.
Para calcular o fluxo de seiva, basta multiplicar a velocidade da seiva pela área da seção transversal da madeira, como mostra a equação (6).
𝐹𝑠 = 𝑉𝑆𝐴
(6)
2.2. Método de dissipação térmica
O método da sonda de dissipação térmica ou método de Granier (GRANIER, 1985), consiste em fornecimento de calor, por meio de uma fonte regulável de energia elétrica e de potência constante no interior do caule, pelo uso de uma sonda e relaciona o transporte convectivo deste calor com o fluxo de seiva. Para isto são necessárias duas sondas com junção de termopar de cobre e constantan, verificando a diferença de temperatura do caule no ponto do aquecimento e outro abaixo, e assim obter uma temperatura diferencial, sendo esta dependente da velocidade de seiva.
Segundo Pimentel et al. (2010), o método de dissipação de calor vem recebendo atenção nos últimos tempos em virtude de utilizar princípios físicos relativamente simples
15 e poder ser aplicado diretamente no campo sem alterar as condições fisiológicas e micro meteorológicas da planta.
De acordo com Degados-Rojas (2006), uma das principais fontes de erros apontadas na literatura para o método da dissipação térmica, é aquela originária da perturbação térmica externa, que gera gradiente de temperatura ao longo do caule e acaba interferindo diretamente na medida do sensor e, consequentemente, na estimativa.
A expressão algébrica para cálculo de fluxo de seiva é descrita por Coelho, Rubens D. et al. (2012), que é baseado na Lei de Resfriamento de Newton, equação 7 onde ℎ ( 𝑊/𝑚2𝑐°) é coeficiente de transferência de calor, 𝑆 (𝑚2) a área da superfície de transferência de calor, 𝑇𝑐 (𝑐°) a temperatura da sonda, 𝑇𝑏 (𝑐°) é a temperatura do tronco
não aquecido e 𝑃 (𝑊) potência elétrica.
ℎ𝑆(𝑇𝑐 − 𝑇𝑏) = 𝑃 (7)
Através dos números adimensionais Nusselt, Reynolds e Prandtl, encontra-se uma nova definição para o coeficiente de transferência de calor (h – W/m2c°) descrito pela equação (8).
ℎ = ℎ0(1 + 𝛼𝐹𝑑 𝛽
) (8)
Onde 𝛼𝐹𝑑𝛽 (𝑚3⁄𝑚2𝑠) é a densidade de fluxo de seiva elevado a um coeficiente 𝛽 e multiplicado pelo coeficiente 𝛼, ℎ0 (W/m2c°) é o coeficiente de transferência de calor
para um fluxo nulo e segundo COELHO, Rubens D. et al. (2012) pode ser encontrado pela equação (9).
ℎ0 =
𝑅𝐼2
𝑆(𝑇𝑚𝑎𝑥− 𝑇𝑓)
(9)
Em que 𝑅 (Ω) é a resistência elétrica; I (A) a corrente elétrica, 𝑇𝑚𝑎𝑥 (℃) a temperatura do fluxo nulo, 𝑇𝑓 (℃) a temperatura do gradiente térmico natural. Combinando as
equações (7), (8) e (9), COELHO, Rubens D. et al. (2012) descreve para a densidade de fluxo de seiva, utilizando a equação (10).
𝐹𝑑 = [ 1 𝛼 (𝑇𝑚𝑎𝑥− 𝑇𝑓) − (𝑇 − 𝑇𝑓) 𝑇 − 𝑇𝑓 ] 1 𝛽 = [1 𝛼 ∆𝑇𝑚𝑎𝑥 − ∆𝑇 ∆𝑇 ] 1 𝛽 (10)
16 Granier (1985), validou a relação da equação (10) para algumas espécies de plantas obtendo os valores para os parâmetros 1
𝛼= 118,99 × 10
−6 e 1
𝛽= 1,231,
chegando assim na equação (11).
𝐹𝑑 = 118,99 × 10−6(∆𝑇𝑚𝑎𝑥− ∆𝑇
∆𝑇 )
1,231
(11)
Para encontrar o fluxo de seiva, basta multiplicar a densidade de fluxo de seiva pela área de seção efetiva do xilema (AS), equação (12).
𝐹 = 118,99 × 10−6(∆𝑇𝑚𝑎𝑥 − ∆𝑇
∆𝑇 )
1,231
𝐴𝑆 (12)
3. METODOLOGIA
O presente trabalho foi conduzido sob condição de ambiente protegido no Núcleo de Engenharia de Água e Solo (NEAS) da Universidade Federal do Recôncavo da Bahia – UFRB. Foram estudadas 11 plantas de cacau através do Método de Pulso de Calor e 5 destas plantas através do Método de Dissipação Térmica.
As sondas de Pulso de Calor e as sondas de Granier, possuem termopares e aquecedores. Os termopares são sensores de temperatura, simples e de baixo custo, que quando está exposto a uma diferença de temperatura gera uma diferença de potencial. Os termopares são compostos pela junção de dois metais, neste trabalho, mais especificamente, o cobre e o constantan. O constantan é uma liga metálica, utilizada normalmente para construção de resistores elétrico e termopares pois exibe resistência praticamente constante em um amplo intervalo de temperatura, é uma liga negativa constituída pelos elementos níquel e cobre.
Para a leitura dos termopares foi utilizado o Sistema de Aquisição de Dados – Datalogger. O Datalogger é um coletor de dados de temperatura e umidade que possui independência de computadores, possui capacidade de armazenar os dados para download para análise e verificação posterior. Seu funcionamento gira em torno de um microcontrolador, a Figura 1 identifica os componentes principais para o funcionamento do Datalogger.
17
Figura 1. Descrição em blocos do Datalogger.
Fonte: ESSER, 2008.
Explicitando alguns dos componentes compostos pelo diagrama representado na Figura 1, segundo Esser (2008), as entradas digitais são responsáveis pelas leituras dos dados, em sinal digital 0 ou 1; as entradas analógicas são aquelas que fazem a leitura de sinais de tensão e corrente analógicos, que podem representar grandezas físicas como temperatura e tensão; o RTC, Real-Time-Clock, é um relógio de tempo real, responsável por fornecer a hora e data exata ao microcontrolador das realizações de coletas de dados de uma determinada grandeza; possui um sensor responsável pela leitura da temperatura e umidade que possuirá um coletor de dados; a memória armazenará todos os dados coletados; e por fim a comunicação serial com sensores e dispositivos seriais.
Com base em Esser (2008), para o desenvolvimento de projetos, o Datalogger possui software de programação, que integra o editor de programa fonte, o compilador e o simulador, onde o programa fonte é uma sequência de texto escrito em linguagem de programação, o compilador é aquele que converte o programa fonte em códigos de máquina e o simulador o programa que simula o funcionamento do código enquanto ele está sendo desenvolvido.
Para a realização deste trabalho foi o utilizado o Datalogger CR800 da Campbell Sci., que é um dispositivo que lê entradas de sensores e transmite dados. E com o intuído de aumentar a quantidade de sensores foi utilizado em interface ao Datalogger o multiplexador de AM16/32B.
Segundo a descrição do multiplexador AM16/32B, fornecido pela Campbell Sci., o AM16 / 32B multiplexa 16 grupos de quatro linhas através de quatro terminais comuns
18 (COM), ou multiplexa 32 grupos de duas linhas através de dois terminais COM. Um cabo conecta os terminais comuns às entradas analógicas do registrador de dados, canais de excitação ou terra, conforme exigido pelo sensor. O registrador de dados controla o multiplexador usando duas portas de controle ou uma porta de controle e um canal de excitação. Para o desenvolvimento desta pesquisa utilizou-se a configuração do multiplexador de 32 grupos, ou seja, podendo ser instalado até 32 sensores.
3.1. Construção das sondas de pulso de calor
As sondas de pulso de calor são compostas por dois termopares e um aquecedor. Para a construção de um termopar fez-se necessário 13,0 cm de fio de cobre e de constantan. Retirou-se o isolante das pontas de ambos os fios, e então uniu-se uma ponta de cobre com uma de constantan. Logo após, foi necessário soldar as pontas unidas para diminuir as chances de rompimento dos fios e então cortar a ponta o mais próximo do isolante possível. Fez-se necessário também isolar a ponta estanhada com esmalte, com intuito de não haver passagem de corrente elétrica entre a ponta estanhada com uma das outras pontas desencapadas, (Figura 2a).
Utilizou-se agulhas hipodérmicas com diâmetro de 0,8 mm e comprimento 40,0 mm. As pontas das agulhas foram lixadas até 2,0 cm com um esmeril elétrico. Nos termopares marcou-se 2,5 cm e então foram inseridos na agulha até que a marca aparecesse em sua parte inferior, para que assim o termopar ficasse aproximadamente no meio da agulha, (Figura 2b).
19
Figura 2. (a) Termopar, fio de Cobre azul e fio de Constantan vermelho. (b) Termopar inserido na agulha
Hipodérmica. (c) Termopar finalizado.
Fonte: Própria.
Após inserir os termopares nas agulhas, foi necessário a utilização de micro tubos cortados 10,5 cm cada, a fim de se obter resistência no sensor, para que não haja transtornos no manuseio. Para se obter também resistência e fixação, a resina epóxi liquida foi utilizada no fundo da agulha, em seguida o micro tubo foi inserido, (Figura 2c). A resina é conhecida por possuir função contraria as colas termoplásticas, pois não perdem consistência com o aquecimento.
Para os aquecedores das sondas de pulso de calor é somente necessário a liga metálica de constantan. Nas agulhas hipodérmicas já lixadas até 2,0 cm, com o auxílio do esmeril, são inseridas o fio de constantan e enrolado da ponta da agulha até a extremidade com movimentos circulares, desta maneira restando uma parte do fio dentro da agulha e outro fora, (Figura 3a). Logo após o fio que passa por dentro da agulha é protegido com um micro tubo e utiliza-se a resina no fundo da agulha, (Figura 3b).
20
Figura 3. (a) Aquecedor das sondas de pulso de calor. (b) Aquecedor das sondas de pulso de calor final.
(c) Sensor de pulso de calor finalizado.
Fonte: Própria.
Foram construídas onze sondas de pulso de calor completas foram construídas, ou seja, vinte e dois termopares e onze aquecedores, visto que, para cada sonda tem-se dois termopares e um aquecedor. Para finalizar as sondas, fez-se necessário unir os elementos com o auxílio de fios e tubos termocontráteis, que são tubos plásticos que após aquecidos se contraem e tomam a forma do fio que está internamente. O termocontrátil é bastante utilizado para segurança de projetos, indústrias, residências, entre outros, pelo fato de ser altamente resistente a passagem de corrente elétrica por ser um isolante de qualidade.
Os termopares foram unidos com um auxílio de um cabo de quatro vias, ligando o constantan, metal negativo, nos fios pretos e verdes, e o cobre, metal positivo, ligando nos fios vermelhos e amarelos. Os aquecedores foram ligados em um cabo de duas vias, não fazendo diferença na polaridade.
Na Figura 3c, pode-se observar os sensores prontos e unidos com a ajuda do termocotrátil. Onde a agulha marcada com uma faixa preta é o termopar inferior, a agulha toda preta é o aquecedor e a agulha sem nenhuma demarcação é a sonda superior.
21 3.2. Construção das sondas de Granier
As sondas de Granier são compostas por dois termopares e um aquecedor, de forma análoga ao Método de Pulso de Calor. Porém há uma grande diferença em sua composição.
A sonda de Granier possui dois elementos, um termopar, composto por uma agulha de 0,8 mm e comprimento 40,0 mm, lixada 2,0 cm a partir de sua ponta, com uma junção metálica da liga de constantan e o cobre, e uma sonda de aquecimento, composto por agulha hipodérmica de 1,2 mm de diâmetro e 40,0 mm de comprimento, onde ela também é lixada, com o auxílio do esmeril, até 2,0 cm a partir de sua ponta com um enrolamento de constantan em conjunto com um termopar.
Para a construção da sonda de aquecimento foi necessário com o fio de constantan, atravessar a agulha e em seguida com movimentos circulares enrolar o fio da ponta até a parte inferior da agulha, como no aquecedor de pulso de calor. Em seguida foi inserido na agulha a 2,5 cm um termopar, por isso a necessidade de uma agulha hipodérmica com diâmetro maior, como destaca a Figura 4a.
Figura 4. (a) Sondas de aquecimento em construção do método de Granier. (b) Termopar e sonda de
aquecimento para as sondas de Granier. (c) Sondas de Granier, ligação entre os fios de constantan. (d) Ligações na sonda de Granier. (e) Sonda de Granier finalizada.
Fonte: Própria.
O micro tubo é acrescentado a sonda de aquecimento apenas no fio de constantan que passa por dentro da agulha, utiliza-se também a resina no fundo da agulha. Os
22 termopares nas sondas de Granier possuem características na composição de seu corpo muito semelhantes aos de Pulso de Calor, diferenciando-se por apenas o fio de constantan passar no interior do micro tubo colado com a resina. Na Figura 4b, destaca-se o termopar e o aquecedor já com os microtubos.
Para fazer as ligações entre o termopar e o aquecedor foi necessário a utilização de um cabo de quatro vias. O primeiro passo foi ligar os fios de constantan que estão por dentro do micro tubo e proteger a ligação como auxilio do termocontratil, criando assim um aquecedor em paralelo, como mostra a Figura 4c.
O cabo de quatro vias possui dois terminas positivos e dois terminas negativos. Para a primeira ligação foi utilizada as cores dos fios amarelo, positivo, ligado no fio de cobre azul do termopar normal, laranja, negativo, ligado no fio de cobre azul do termopar do aquecedor. Para a segunda ligação as cores utilizadas foram a vermelha, positiva, e marrom, negativa, não houve restrição, ligou-se uma no fio de constantan do enrolamento do aquecedor e a outra no fio de constantan do termopar do interior do aquecedor. A Figura 4d demonstra essas ligações.
Para finalizar as sondas de Granier utilizou-se o termocontrátil para proteger as ligações e da resistência a sonda, como mostra a Figura 4e.
3.3. Placas de aquecimento das sondas
3.3.1 Método de Pulso de Calor
Para a construção da placa de pulso de calor em primeiro lugar foi necessário a utilização do software chamado Proteus onde o circuito foi desenhado e impresso. Esta placa de aquecimento de pulso é uma placa relativamente simples onde só contém um relé, um resistor, um transistor e treze conectores de blocos (bornes). Logo após a impressão do circuito da placa em papel foto, foi utilizado uma solução de álcool e acetona para que o toner do papel fosse transferido para a placa de cobre por pressão. É de grande importância que se prense bem a placa com o papel por pelo menos 1h para que não haja maiores chances de erros e impeça que toda o toner solte. Posteriormente corrigiu-se os erros de falhas da tinta com uma caneta permanente e então a placa foi colocada para corrosão em percloreto de ferro, foi necessário novamente aguardar pra que toda a placa corroesse e a trilha do circuito ficasse em perfeito estado. Depois de toda a
23 placa corroída, foi necessário lava-la com a sabão e esponja de aço para retirar todo o resíduo da corrosão. A Figura 5a, mostra a placa de aquecimento já corroída.
Figura 5. (a) Placa de aquecimento para o Método de Pulso de Calor corroída. (b) Diagrama de blocos da
placa de aquecimento para o Método de Pulso de Calor. (c) Placa de aquecimento do Método de Pulso de Calor finalizada.
Fonte: Própria.
Os relés possuem uma bobina em sua composição, quando se passa corrente por ela gera um campo eletromagnético que atrairá a alavanca que muda o estado dos contatos no interior do relé, assim se a corrente for interrompida o campo também será, voltando a forma do circuito original.
Os transistores podem ser considerados como interruptores e são compostos pela base, que é o responsável pela ativação do transistor, o coletor e o emissor. Quando o interruptor é acionado uma corrente passa pelo resistor de base, então o transistor permite que a corrente circule dando energia para o resto do circuito. O resistor está presente para proteger o transistor de correntes ou tensões muito altas.
A Figura 5b contém um diagrama de blocos no qual descreve o que acontece na placa de aquecimento para as sondas de Pulso. O conector de blocos um, possui três pinos, onde o primeiro e o terceiro pino são ligados a fonte do Datalogger e o segundo pino a porta C1, que é a porta que aciona o multiplexador. A corrente elétrica vai chegar no conector de blocos um e passará pela resistência de 1000 ohm que está ligada a base do transistor, logo ele funcionará como um interruptor e fechará o circuito. A corrente vai circular para a bobina do relé criando um campo eletromagnético, atraindo assim a alavanca que provocará uma mudança de estado, logo a corrente poderá circular pelos
24 outros conectores de blocos, que estarão conectados os fios de aquecimento de cada sonda, isso acontecerá em um tempo determinado pela programação do Datalogger.
A Figura 5c mostra a placa de aquecimento do Método de Pulso de Calor já com todos os seus componentes.
3.3.2 Método de Granier
Para a construção da placa de aquecimento para o método de Granier, também foi utilizado o software Proteus para desenhar o circuito. A placa é composta por um Arduino Pro mini, resistores, capacitores, indutores, transistores e bornes. O NEAS já possuía a placa de aquecimento para sondas de dissipação térmica, por isso não foi necessário a construção da placa, somente a modelagem para funcionamento dos sensores, visto que, as placas disponíveis só possuíam acesso para leitura de até quatro sondas, e então para resolver este problema foi necessário que a ligação entre as duas primeiras sondas estivesse em série, aumentando a resistência e a corrente.
Na Figura 6a, mostra o diagrama de blocos para a placa de fonte de tensão ajustável. O Arduino Pro Mini é o responsável por toda a execução das leituras das sondas, os resistores R4 e R5 funcionam como um divisor de tensão para o Arduino, pois a tensão de entrada é de 12V e a placa do Arduino trabalha com uma tensão máxima de 5V. Os transistores Q1, Q2 E QP1 são responsáveis pelo chaveamento de potência da fonte, ou seja, como o Arduino só atua a 5v os transistores vão chavear o circuito para que a saída seja de 12 v, sem mudar a largura do pulso PWM. O indutor e o capacitor funcionam como um filtro.
Outros três circuitos de chaveamento e filtro são ligados ao Arduino pelas portas D5, D6 e D10.
25
Figura 6. Placa de fonte de tensão ajustável para as sondas de Dissipação térmica. (a) Esquema da placa
de aquecimento para o método de Granier. (b) Placa de aquecimento para as sondas de Granier.
Fonte: Própria.
A Figura 6b, mostra a placa de aquecimento para as sondas de Granier já montada e pronta para uso.
O Arduino é uma plataforma de desenvolvimento, composta por um Hardware livre, um microcontrolador, e um ambiente de desenvolvimento integrado, possui linguagem de programação padrão, linguagem C/C++. É uma plataforma desenvolvida com intuito de ser fácil de programar, funcional e de baixo custo, para estudantes e programadores amadores.
Sobre a placa de fonte ajustável de tensão do Método de Dissipação Térmica, o Arduino possui todo o controle de programação, basta a placa está conectada a fonte de energia do Datalogger. Na próxima seção, será apresentado o corpo base da programação do Arduino.
26
Figura 7. (a) Inicialização das variáveis, programação em Arduino. (b) Início da função void, e cálculo dos
valores de tensão teóricos. (c) Início da função void, e cálculo dos valores de tensão teóricos. (d) Cálculo e correção do erro e fim do programa.
Fonte: Própria.
Na Figura 7a, estão inicializadas as variáveis da programação do Arduino. Nas primeiras linhas são variáveis do tipo Float, significa que a variável é um ponto flutuante, e representam a cada sonda, as resistências (Rsonda_1), a potência (Psonda_1), a tensão (Vsp_1) teórica a ser encontrada, respectivamente. São declaradas também variáveis do tipo inteiro, int, que representaram o PWM (Pulse Width Modulation) que é uma técnica para obter resultados analógicos com meios digitais, em formas de ondas quadradas variando no estado ligado e desligado, podendo simular tensões entre 5v a 0v, se for repetido esse padrão ligado e deligado rapidamente o resultado é que se tenha uma tensão
27 constante entre 0v e 5v. Em seguida as resistência ganharão novos nomes, coef1, como mostrado na Figura 7a.
Na Figura 7b, mostra a inicialização do void que indica que não se deve retornar nenhuma informação para função que foi chamada, logo void setup () é chamada da função setup, que inicializa e declara valores iniciais. Em seguida é calculada a tensão elétrica teórica. Sabe-se que pela lei de Ohm potência é igual a tensão vezes corrente elétrica, e corrente elétrica é tensão sobre resistência elétrica, logo tensão pode ser escrita como a raiz quadrada da potência vezes a resistência. A função sqrt significa raiz quadrada. São calculados os valores de OutPWM e então utiliza-se a função analogWrite que é quem escreve o valor do PWM.
O analogWrite possui dois paramentos em sua descrição, o pino do Arduino que gerará uma onda quadrada constante e o valor direcionado a este pino. Esta função só funciona em pinos específicos do Arduino, em sua maioria nos pinos 3, 5, 6, 9, 10 e 11. O valor direcionado a cada pino é na Figura 7b declarado como outPWM e pode variar entre o ciclo de trabalho entre 0, sempre desligada, e 255, sempre ligada.
A Figura 7c destaca a criação de um loop que é a repetição continua do programa. Logo em seguida são declaradas variáveis do tipo float que representaram a tensão média de saída. A função digitalWrite aciona o pino digital 13 com valores sempre High, alto, e então se inicia um incremento i como zero e o while, que é um comando que testa a condição, ou seja, enquanto i for menor que 1000 o programa calcula as tensões medias, se i for maior que 1000 passa para a parte posterior ao while. A função analogRead lê a função do pino analógico especificado que, para a figura a cima varia de A0 a A3. Esta função mapeia as tensões de 0 a 5 volts para valores inteiros entre 0 a 1023, o que permite uma resolução de 5 por 1024, portanto 0,0049V por unidade. Para o cálculo da tensão média é necessário multiplicar a 2 por 0,0049, já que há um divisor de tensão na entrada, e depois pelo valor de retorno da função analogRead e logo a após incrementa-se o valor da tensão media multiplicado pelo i, e então divide toda a operação pelo i incremento. Por fim incrementa o i.
Para o cálculo do erro do valor da tensão média bastou somente declarar as variaveis de erro e então subtrair o valor da tensão media pelo valor da tensão teorica. E para a correção deste erro utilizou-se o comando if, que da instrução para a execução de condicional de outros comandos. Neste caso da figura 7d, o if diz que para todo erro menor que a multiplicação da constante -0,05 pela tensão média, incremente OutPWM_1, quando erro for maior que a multiplicação entre 0,05 e a tensão média, decremente
28 OutPWM_1. Se OutPWM_1 for menor que zero é necessário que se atenue ele em zero e se OutPWM_1 for maior que 108 atenue ele em 108, que é a escala da onda. E então utiliza-se novamente o camando analogWrite para a porta desejada e o valor de OutPWM_1. Este processo acontece para as quatro sondas. E então aciona o comando digitalWrite na porta digital 13, porém low, baixo.
3.4. Programação do Datalogger
Para a programação do Datalogger foi utilizada o aplicativo CRBasic Editor. Como o sistema de aquisição de dados foi utilizado para coletar os dados dos termopares das sondas de Granier e Pulso de calor, ao todo foram instalados 22 termopares de Pulso de calor e 5 de Granier. Portanto a programação baseia-se na coleta de dados dos dois métodos.
O primeiro passo para a construção da programação foi a declaração das variáveis. As variáveis do tipo Public podem ser visualizadas pelo software de exibição, já as do tipo Dim não podem. A figura 8a abaixo mostra a declaração das variáveis de tempo onde tM e M variam de um até onze, As Long significa que a variável é um número inteiro.
Figura 8. (a) Variáveis de tempo. Inicio do código de programação. (b) Continuação do código de
29
Fonte: Própria.
Foram declaradas as variáveis LCount e LCount2 que serão as variáveis que se relacionarão com o multiplexador. SW12tate é a variável que liga a porta SW12 do Datalogger a placa de Pulso de calor. BattV e Ptemp_C serão as responsáveis pela tensão na bateria e a temperatura no painel, respectivamente. Para a leitura dos termopares de Pulso de Calor e de Granier foi necessário a declaração de duas matrizes, Termopar (22) e SDT (5). E então para o cálculo de cada sonda do método de Pulso de calor foi necessário a inicialização de seis variáveis, lnRva_vB1, v_A1 (incremento de temperatura do termopar superior), v_B1 (incremento de temperatura do termopar inferior, Rva_vB1, Diff_A_anterior1 e Diff_B_anterior1, variando de 1 a 11, As Float significa que a variável é um ponto flutuante. Todas estas informações a cima podem ser observadas na Figura 8b.
Na figura 8c, estão declaradas as tabelas que serão impressas. Para a todas as inicializações de tabelas de dados, para este compilador, é necessário que comecem a função DataTable e tenha fim com EndTable. A implementação de uma DataTable possui três paramentos que são incrementados pelo usuário, que é o nome da tabela, uma condição de inicialização e o tamanho da tabela. Tomando o exemplo da Figura 8c, Tabela 1, tem-se : DataTable(Table1, True, -1), logo o nome da tabela é Table1, a
30 condição de inicialização é que ela seja verdade, True, logo sempre será inicializada, e o tamanho da tabela é descrito como -1 porque assim o registrador de dados vai alocar automaticamente a quantidade registro.
A função DataInterval, possui características semelhantes pois possui quatro parâmetros que, seguindo a descrição da figura 8c, DataInterval(0, 10, Sec, 10), onde o 0 é tempo no intervalo, é denominado 0 porque o intervalo é equivalente ao tempo real, o 10 é o intervalo no qual os dados são armazenados, o Sec é a unidade de tempo, segundos, e o 10 novamente é o número de laços. Ou seja, todos os valores da tabela serão gravados de 10 em 10 segundos, até que o usuário desligue o Datalogger.
Por fim, a Figura 8c representa as definições das tabelas 1 e 2. Onde a Tabela 1, ou Table1, imprime todos os valores dos termopares das sondas de Pulso de Calor, variando do Termopar (1) ao Termopar (22), IEEE4 significa que os valores são pontos flutuantes de quatro bytes. A Tabela 2, ou Table2, possui um intervalo de 10 em 10 minuto, e composta pela tensão na bateria, BattV, temperatura do painel, PTemp_C, os lnRva_B1 e tM1, que variando até 11 e por fim todos os termopares das sondas de Granier, SDT(1) ou SDT(5). FP2 significa que a variável é um Ponto flutuante da Campbell Scientific.
Com todas as variáveis declaradas, as tabelas de saídas definidas, e as medições realizadas já se pode construir o programa executável, que começa com BeginProg e termina com EndProg, a partir da Figura 9 dá-se início a esta parte do programa. A função Scan é constituída por quatro parâmetros e é a responsável pela realização da varredura do programa, o primeiro parâmetro é o intervalo entre as varreduras, o segundo é a unidade de medida do intervalo, o terceiro é a quantidade de varreduras e o quarto é até quando continuar realizando as varreduras. O Scan da Figura 9 diz que é necessário a realização de uma varredura no programa a cada 10 segundos, o 0 indica um loop infinito, logo as varreduras só terão fim se houver um comando de parada.
O comando Battery faz as medições de tensões da bateria e armazena na variável BattV, e o PanelTemp é o responsável pela medição de temperatura do painel de fiação do registrador de dados e armazena na variável PTemp_C. Para a coleta de dados do multiplexador é necessário acionar o comando PortSet que é responsável por controlar um conjunto de portas. PortSet (2,1) significa que a porta 2 está sendo ativada, logo os sensores são ligados. O comando Delay pausa o programa por um determinado tempo, no caso do programa abaixo, por 15 segundos, essa pausa é necessária para permitir que os sensores funcionem bem. As variáveis LCount e Lcount2 são inicializadas com o valor 1.
31 O comando SubScan vai realizar a leitura dos sensores, o primeiro SubScan realizará a leitura de 22 sensores e está em microssegundos. Dentro do comando SubScan tem-se o PulsePort, que é responsável por dá um pulso na porta 3 a cada 10 segundos, e o VoltDiff, que é responsável pela medição da tensão de cada termopar, pois o LCount é incrementado a cada NextSubSca. Pra o segundo SubScan acontece analogamente, mudando apenas a quantidade de sensores que varia até 5 e a variável LCount2. PortSet (2,0) desativara a porta 2, logo os sensores deixaram de ser lidos, para que não haja erros e o resto do programa seja processado normalmente é necessário outro Delay de 15 segundos.
Figura 9. Inicialização do programa de execução.
Fonte: Própria.
A Figura 10a mostra que para se ter o controle do tempo foi necessário a inicialização da variável ModSecsInt como Public.TimeStamp(1,1), que é o comando responsável por gravar a data e hora na porta 1, este comando também faz com que a cada 10 minutos a chave SW12 seja ligada por 1 minuto. Logo em seguida foi necessária a
32 utilização do If, que é uma estrutura de decisão, com a condição de que a variável ModSecsInt deve ser igual ou maior que 0 e menor que 15, se essa condição for verdadeira, o programa continua a percorrer o If, que afirma que o estado da porta SW12 é verdadeira, ou seja está ligada, e então ativa a porta 1 com o comando PortSet(1,1), logo após inicializa a variável Time_Anterior como Public.TimeStamp(1,1). O tempo t é declarado como 0 e então todos os termopares são igualados a variáveis já declaradas anteriormente, como mostra a figura 10a.
Se a condição do If for falsa, ou seja, ModSecsInt não estiver entre 0 e 1, o programa informa ao compilador que o estado da porta SW12 é falsa, ou seja, a porta está desligada e desativa a porta 1 como comando PortSet(1,0). Por fim o tempo t é incrementado com a subtração do comando Public.TimeStamp(1,1) pela variável Time_Anterior, e então Time_Anterior é novamente inicializa como Public.TimeStamp(1,1).
Figura 10. (a) Programa para o Controle do tempo. (b) Cálculo de VA e VB e o ln(va/vb). (c) Continuação
33
Fonte: Própria.
O cálculo para se encontrar os incrementos de temperaturas em cada termopar é relativamente simples, basta subtrair cada termopar por suas respectivas variáveis Diff_A_anterior1, como mostra a Figura 10b. Para o cálculo do ln(va/vb), foi necessário criar um If para cada sonda, onde a condição é que a divisão do incremento de temperatura do termopar superior pelo do termopar inferior seja maior que zero, e então o resultado desta divisão é igualada a uma nova variável, e o tempo t aos respectivos M, como está explicitado na Figura 10b.
Por fim, foi necessário a criação de outro If com a condição de que o tempo t estivesse entre 70 e 90 segundos, e então todos os LN das sondas foram calculados e igualados a novas variáveis. E então as tabelas são impressas com o comando CallTable e Scan é terminado, assim como o programa, como mostra a Figura 10c.
34 3.5. Instalação e calibração das sondas
3.5.1. Instalação das sondas do Método de Pulso de Calor
Para a instalação das sondas de Pulso de Calor foi preciso a perfuração de um pedaço de metal para ser demarcador do cacaueiro. A Figura 11a abaixo mostra o demarcador em baixo de uma fita adesiva já com as sondas, porém ainda um teste feito em laboratório para posteriormente ser levado a campo.
Figura 11. Instalação das sondas de Pulso de Calor. (a) Demarcador de metal com as sondas. (b) Perfuração
do cacaueiro. (c) Sonda de Pulso de Calor já instalada.
Fonte: Própria.
Com o auxílio de uma fita métrica e uma furadeira com broca de 0,9 mm o cacaueiro foi perfurado, como mostra a Figura 11b.
Para inserir as sondas nas perfurações feitas, foi necessário a utilização de pasta térmica, com o intuito de servir como condutor de calor, auxiliar em sua dissipação, e também a fim de que as sondas aderissem o tamanho da perfuração. A Figura 11c mostra uma sonda já instalada.
Esse processo foi repetido para os outros dez cacaueiros.
35 Para a instalação das sondas de Dissipação Térmica, utilizou-se uma régua para medir a distância de perfuração da sonda superior e inferior. Com o auxílio da furadeira e uma broca de 0,9 mm para o termopar, e 1,0 mm para o aquecedor o cacaueiro foi perfurado com aproximadamente 10,0 cm de distância de uma sonda para outra. Então com o auxílio da pasta térmica a sonda foi inserida nas demarcações, e fixada com fita adesiva.
Na Figura 12 está explicito um cacaueiro com a sonda de Granier e a de Pulso de Calor instaladas.
Figura 12. SDT e Pulso de Calor instaladas.
Fonte: Própria.
3.5.3. Instalação das sondas no Datalogger e multiplexador
O Datalogger funciona há uma tensão de 12 V e foi ligado uma fonte de alimentação de 10 A. Foi necessário a utilização de um regulador de tensão para baixar a tensão pois para esta fonte de 10 A, a tensão estava indo a um nível muito alto de até 17 V. Na configuração de ligação do datalogger para o multiplexador foi preciso utilizar um cabo de quatro vias e um de duas vias. O cabo de quatro vias foi ligado as entradas de 12V, GND, clock e reset do multiplexador as entradas C3, C2, GND e 12V do datalogger, respectivamente. O cabo de duas vias no multiplexador ligou-se na entrada COM e no datalogger as entradas SE4 e SE3. As placas e o datalogger foram conectados direto na fonte. E por fim todos as sondas foram instaladas no multiplexador, como mostrado na Figura 13.
36
Figura 13. Sondas instaladas no Datalogger e Multiplexador.
37 4. RESULTADOS E DISCURSÕES
Para analisar dados coletados, utilizou-se o software Excel. Como para as sondas de Pulso de Calor, o Datalogger coleta apenas o ln𝑣1
𝑣2 foi necessário calcular as variáveis
das equações (2), (3), (4), e (6).
A difusividade térmica 𝑘 utilizada na equação (3), possui um valor, para cada espécie, por este motivo foi feita uma adaptação utilizando um valor já calculado para a cultura do Mogno. O valor foi de 𝑘 = 0,00007861 𝑐𝑚2/𝑠. O coeficiente empírico de
correção da ferida 𝛽 está presente em Burgens (2001), ele é analisado de acordo com a largura da ferida que foi aproximadamente 0,18 cm, o valor para 𝛽 é de 1,7585. Em seguida, pode-se calcular o valor de pulso de calor corrigido da equação (4).
Para obter conhecimento da área do xilema do cacaueiro e então calcular o fluxo de seiva, equação (6), utilizou-se a equação descrita por Fraga (2017), Equação (13).
A variável P da equação acima representa o perímetro externo do caule, que para ser calculado foi preciso medir o diâmetro de cada cacaueiro, e considerar o caule como aproximadamente um círculo, como o raio é metade do diâmetro aplicou-se a equação para perímetro de um círculo que diz que 𝑃 = 2𝜋𝑟 (𝑐𝑚). Após o cálculo da área do xilema pode-se encontrar o fluxo de calor para os cacaueiros.
Os dados obtidos foram organizados em uma planilha do Excel e as equações automatizadas, para então gerar gráficos e calcular o fluxo de seiva diário em litro. As medidas para pulso de calor aconteceram durante os dias 11 a 16 de janeiro 2019 e para Granier do dia 18 a dia 24 de janeiro de 2019. Foi identificado que algumas das sondas sofreram consecutivos defeitos, pelo não funcionamento da própria sonda ou por fatores internos como a falta de fluxo no cacaueiro.
O gráfico da Figura (14) apresenta a leitura dos termopares. Neste gráfico foi realizada medições de 10 em 10 segundos, para teste do funcionamento das sondas e da programação, e detalha o comportamento da temperatura para um pulso de calor. A figura 14a mostra o sinal de pulso lido pelo Datalogger e detalha também os gradientes térmicos naturais, já a Figura 14b mostra o incremento da temperatura após o pulso o que corrige as diferenças causados pelos gradientes térmicos naturais.
38
Figura 14. (a) Leitura dos termopares em 10 em 10 segundos; (b)Incremento na leitura do sinal dos
termopares.
Após a certeza de todo o funcionamento dos equipamentos, mudou-se a programação para que se coletasse os dados a cada 10 em 10 minutos, e então tirou-se uma média dos dados por hora e foi construído os gráficos apresentados na Figura 15, variando de 00h do dia 11/01 a 00h do dia 16/01.
Observa-se que o fluxo durante a noite se aproxima excessivamente de um fluxo nulo e a partir do início da manhã começa a se ver um fluxo com valores significativos. Como esperado, com a transpiração das plantas diminui durante a noite, o fluxo de seiva deve chegar a um nível muito próximo de zero ou zero neste período.
39
40 Nos gráficos da Figura 15, os períodos que possuem um fluxo de seiva maior estão entre 6h da manhã até 17h da tarde, o fluxo nulo é todo aquele que estar abaixo de zero e ocorre entre o período a partir de 18h da tarde até 5h da manhã. Os pontos negativos no gráfico durante o dia, podem ser acarretados por diversos fatores, como a não transpiração da planta, consequentemente a falta de fluxo ou erros de medidas e nas sondas.
Na Tabela 1 é listado o fluxo de seiva diário em litros para cada planta.
Tabela 1. Fluxo diário de seiva por litro.
Fluxo de seiva diário (litros)
Data Planta 1 Planta 2 Planta 3 Planta 4 Planta 5 Planta 6
11/01 1,065 0,3018 0,873 -0,046 0,390 - 12/01 1,042 0,2037 0,956 0,007 0,544 - 13/01 0,888 0,2385 1,010 0,001 -0,043 0,158 14/01 1,317 0,0538 0,984 -0,056 0,435 1,326 15/01 0,621 0,0774 0,883 -0,055 0,450 1,437 16/01 0,957 0,212 0,928 -0,105 0,597 1,638
Fazendo uma análise da Tabela 1 acima com Figura 15, observa-se que o cacaueiro quatro quase não possui fluxo de seiva. O cacaueiro seis só possuiu fluxo a partir do terceiro dia de medição. A transpiração do fluxo de seiva do cacaueiro um é muito parecida com a do cacaueiro três e a planta dois com a planta cinco também possuíram valores muito próximos.
O método de Granier não se fez muito eficiente para medir o fluxo de seiva para estes cacaueiros. Acredita-se que o fato de o método de pulso de calor ter obtido sucesso em suas medições, seja por ser um método para coleta de dados de fluxos baixos, o que já mostra sua maior eficiência sobre o método de dissipação térmica para baixos índices de fluxo de seiva.
Os dados apresentados abaixo, Figura (16), indicam apenas o gradiente térmico natural da cultura por hora, e mostram o funcionamento das sondas, o que acarreta o não estudo de fluxo de seiva para estas plantas pelo método de Granier.
41
Figura 16. Dados da Sondas de dissipação térmica. O comportamento indica apenas o gradiente térmico
42 5. CONCLUSÃO
Com está pesquisa conclui-se que o método de Pulso de Calor é mais eficiente para medição de baixos fluxos de seiva do que o método de Dissipação Térmica, pelo fato de possuir maior sensibilidade a fluxos baixos. O gradiente térmico natural interfere significativamente sobre a estimativa de transpiração para o cacaueiro.
43 6. REFERÊNCIAS
BOEHRINGER, Davi et al. Determinação do fluxo de seiva na cana-de-açúcar pelo método do balanço de energia caulinar Sugarcane sap flow determination by the energy balance method. Engenharia Agrícola, v. 33, n. 2, p. 237-248, 2013.
VELLAME, LM; COELHO FILHO, MA; PAZ, VPS. Transpiração em mangueira pelo método Granier. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v.13, n.5, p.516-523, 2009.
BURGESS, Stephen SO et al. An improved heat pulse method to measure low and reverse rates of sap flow in woody plants. Tree physiology, v. 21, n. 9, p. 589-598, 2001.
Campbell Scientific Brasil. Multiplexador AM16/32B. Disponível em: <
https://www.campbellsci.com.br/am16-32b> Acesso em 12 de janeiro de 2018.
COELHO, Rubens D. et al. Estimation of transpiration of the'Valencia'orange young plant using thermal dissipation probe method. Engenharia Agrícola, v. 32, n. 3, p. 573-581, 2012.
ESSER, Jean Carlos. Data Logger – coletor de dados. Centro Federal de Educação
Tecnológica de Santa Catarina, Florianópolis, p. 10, 2008.
FRAGA, Junior L.S. Relações hídricas do cacaueiro: efeito da área foliar, potencial do solo, de condições de sombreamento. Dissertação de mestrado – Universidade Federal
do Recôncavo da Bahia. Cruz das Almas. p. 61, 2017.
GRANIER, A. Une nouvelle méthode pour la mesure du flux de sève brute dans le tronc des arbres. Annales des Sciences Forestières, v.42, n.2, p.193-200, 1985.
44 JUAN S. Delgado-Rojas1, CIRO A. Righi2, SHIGUEKAZU Karasawa3Angelocci, et al. Desempenho Do Método De Dissipação Térmica Na Medida Do Fluxo De Seiva Em Seringueira. Engenharia Agrícola, Jaboticabal, 2006.
MARIN, Fábio Ricardo et al. Fluxo de seiva pelo método do balanço de calor: base teórica, qualidade das medidas e aspectos práticos. Bragantia, v. 67, n. 1, p. 1-14, 2008.
MARSHALL, D.C. Measurement of sap flow in conifers by heat transport. Plant
Physiology, Rockville, v.33, p.385396, 1958.
PIMENTEL, Jussálvia da S. et al. Estimativa da transpiração em cafeeiros utilizando-se sensores de dissipação térmica. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e
Ambiental, v. 14, n. 2, p. 187-195, 2010.
SAKURATANI, T. A heat balance method for measuring water sap flow in the stem of intact plant. Journal of Agricultural Meteorology, Tokyo, v.39, p.9-17, 1981.
SANTOS, Antonio Odair et al. Determinação do fluxo de seiva em videira através da técnica do pulso de calor. Revista Brasileira de Agrometeorologia, v. 13, n. 2, p. 262-272, 2005.
SILVA, M. G. Desenvolvimento de sensor de fluxo de seiva e de coeficiente indicador
de estresse hídrico para plantas de cafeeiro arábica. 2008. Tese de Doutorado. Tese
(Doutorado em Produção Vegetal)–Campos dos Goytacazes–RJ, Universidade Estadual do Norte Fluminense–UENF, 102p.
SWANSON, Robert H. Desenvolvimentos históricos significativos em métodos térmicos para medir o fluxo de seiva em árvores. Meteorologia Agrícola e Florestal , v. 72, n. 1-2, p. 113-131-2, 1994.
VELLAME, LM; COELHO FILHO, MA; PAZ, VPS; COELHO, EF. Método de balanço de calor da haste para estimar a transpiração de plantas jovens de laranja e manga. Revista
45
Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, Campina Grande, v.14, n.6,
p.594-599, 2010.
VELLAME, Lucas, SILVA, Alisson. Sistema Solo-Água-Planta-Atmosfera e Manejo da Irrigaçãoem Plantas Perenes. Inovare Book. p. 151 a 167, 2014.
