Amostrador automático de precipitação úmida total (MA039)

Descrevemos neste artigo a montagem de um amostrador automático de precipitação úmida e total desenvolvido com financiamento da FAPESP, Instituto Oceanográfico da USP (Universidade de São Paulo) e da Revista Saber Eletrônica (Projeto NITAM Processo Fapesp N@ 90/3375-1). O aparelho visa colher amostras de chuva de forma automática possibilitando assim sua utilização de forma contínua em locais de difícil acesso sem a necessidade da presença constante de um operador. Utilizando uma parte eletrônica com componentes comuns e montagem simples, o projeto tem sua parte mais crítica nos elementos mecânicos. No entanto, a descrição do princípio de funcionamento, mais os pormenores dados com relação à montagem do protótipo permitirão que os interessados na montagem façam modificações que atendam as necessidades locais ou aplicações que não sejam as originalmente sugeridas.(1995)

A precipitação sob a forma de chuva transporta uma série de componentes químicos presentes no ar, por efeito de poluição, ou mesmo devido à composição normal da atmosfera e em muitas regiões, torna-se importante o monitoramento da composição das chuvas para avaliação do impacto que seus componentes podem ocasionar. Este impacto pode ocorrer de forma mais intensa nas lavouras, construções e até mesmo sobre os próprios seres humanos.

Além disso existem outros tipos de precipitações como as de partículas atmosféricas não veiculadas à chuva que ocorrem sobre a superfície do planeta. Nestas precipitações estão presentes compostos como nitratos e sulfatos particulados os quais estão relacionados com a visibilidade e muitos compostos nitrogenados que devem ser monitorados.

Normalmente, o monitoramento é feito de forma esporádica, com coletas manuais. Evidentemente, para um monitoramento contínuo, em regiões remotas ou de difícil acesso, existem muitos obstáculos a serem vencidos.

O coletor automático de chuvas que descrevemos neste artigo foi uma solução para situações onda a amostragem deva ocorrer de forma contínua, automática, exigindo pouca participação de um operador.

Além disso, o projeto tem uma concepção bastante robusta e transportável, o que nos leva a uma solução ideal para os problemas citados.

O projeto prevê duas coletas de chuva em cada evento, ou seja, uma amostra contendo a precipitação úmida imediata, proveniente de um coletor na forma de funil que se abre no início da chuva, e outra amostra, contendo a precipitação total, ou seja, a precipitação seca que ocorreu sobre o coletor, em forma de funil, no intervalo entre dois eventos, somada à precipitação úmida.

O sistema apresentado, além de proporcionar uma coleta diferenciada entre o material precipitado no momento do evento e o resultante da somatória entre a deposição seca entre os eventos mais a úmida, permite uma autonomia para coletar 18 eventos, com fonte própria para isso, sem a necessidade de se repor manualmente a frascaria após cada evento. Esta autonomia, associada ao arranjo de todo o equipamento em um dispositivo único, fornece um aspecto especial ao equipamento.

O sensor de eventos, no caso de chuva, é de concepção mecânica muito confiável, adequada à exposição às intempéries como tempestades e maresia.

FUNCIONAMENTO

Damos a seguir uma descrição do aparelho, referente tanto à parte eletrônica como à parte mecânica.

Assim, na figura 1 temos o aspecto externo do aparelho, enquanto que na figura 2 temos detalhes da parte interna.

Aspecto externo do protótipo.

Aspecto interno do protótipo.

O diagrama de blocos da parte eletrônica é mostrado na figura 3.

Diagrama de blocos da parte eletrônica.

Conforme podemos observar pela figura 1, o aparelho é montado em um gabinete (1) que possui portas para o acesso aos elementos internos (2).

Na tampa superior (3) do gabinete são montados o funil de coleta de precipitação úmida (4) o qual possui uma tampa móvel (5) que somente é aberta quando a chuva se inicia. Além disso, temos o funil (6) que fica exposto continuamente, servindo, portanto para a coleta de precipitação total. O detector de chuva (7), o qual determina o início e o fim da operação de amostragem, quando começa e termina uma chuva, também é montado na tampa superior (3).

Na parte inferior interna do gabinete são montados os discos suportes (8) o qual são colocados os frascos (9) utilizados para a coleta de amostras e sobre os quais é montado o disco móvel (10). Os discos suportes têm capacidade para dois conjuntos de 18 frascos. Os funis (11) são interligados aos funis (4) e (6) e através de mangueiras são mantidos em comunicação com as bocas dos frascos (9) para permitir a passagem da água da chuva para eles.

O movimento do disco móvel (10) é feito pelo motor (13) e é montado num eixo (14). Este eixo permite a regulagem da altura do disco móvel possibilitando a utilização de frascos de coleta com diversas alturas e volumes. O perfeito posicionamento do disco móvel sobre um par de frasco (9) é obtido pelos anteparos (15) e a chave (16) do tipo fim-de-curso. O anteparo (17), juntamente com a chave de fim-de curso (18) permite interromper o funcionamento do amostrados quando o disco móvel completa uma volta.

Todo o controle do funcionamento do amostrador é feito pelo módulo eletrônico (19) que tem seu circuito básico mostrado na figura 4.

Circuito básico do amostrado.

O circuito de acionamento da roda é mostrado em separado na figura 5, se bem que a montagem de todo o conjunto, incluindo a fonte de alimentação seja feita em placa de circuito impresso única.

Circuito de acionamento da roda.

Este circuito monitora os sinais do detector de chuva (7) e das chaves fim-de-curso (16) e (18). Além disso, o módulo eletrônico controla o funcionamento dos motores (13) e (20). Este último tem por finalidade abrir e fechar a tampa (5) do funil (4). Neste caso, o módulo eletrônico (19) monitora também os detectores tipo reed-switch (21) e (22) que informam sobre a situação da tampa.

Pelo diagrama de blocos da parte eletrônica temos um timer (36) que permite que chuvas de longa duração possam ser amostradas mais de uma vez.

Desta forma, o disco móvel é deslocado de uma posição após o tempo pré-determinado pelo timer (36) e a água da chuva passa a ser coletada pelo próximo conjunto de frascos. O timer é zerado a cada nova chuva pelo detector. O registrador de eventos (37) registra o instante em que cada evento ocorre, o que significa que, quando houver a retirada das amostras é possível saber os instantes em que ocorreram o início e o final de cada chuva.

O diagrama lógico do sistema coletor é mostrado a seguir observando-se os motores acionados e a posição do temporizador, conforme as posições dos sensores.

Tabela

A alimentação do módulo eletrônico é feita por meio de bateria (23) ou se houver possibilidade, pela rede de energia (24).

O diagrama completo da fonte de alimentação é mostrado na figura 6.

Diagrama da fonte de alimentação.

Essa fonte fornece três tensões estabilizadas, sendo duas por meio de um circuito integrado 7805 (5 V), e as outras duas por transistores, tendo como referência diodos zener.

O transformador de 12 V x 2 A tem o dimensionamento apropriado para alimentar tanto o circuito eletrônico como os motores que movimentam os discos coletores.

No gabinete destacamos ainda um ralo no fundo (25) cuja finalidade é drenar a água excedente.

O detector de chuva possui ainda um funil (27) com uma tela (28) que impede que ele seja entupido por sujeira. O reservatório (30) recebe a água proveniente do funil e serve de regulador, filtrando chuvas intermitentes. A bóia (32) sobe dentro do reservatório (30) e à medida que ele enche faz o acionamento da chave de fim de curso (31) através de um fio de nylon (33). O elemento que permite a regulagem da bóia é o bico dosador (34), tipo pipeta. O reservatório possui ainda um ladrão (35) para a saída da água da chuva.

MONTAGEM DA PARTE ELETRÔNICA

Partindo dos três diagramas (fonte, circuito principal e circuito de acionamento da roda) temos uma placa de circuito impresso única que é mostrada na figura 7.

Sugestão de placa.

Os componentes utilizados não são críticos, devendo apenas ser levado em conta que o aparelho pode funcionar em regiões de grande umidade ou maresia, o que significa a necessidade de se fazer uma proteção apropriada, se necessário.

As tolerâncias dos resistores podem ficar na faixa de 5% a 10% e os capacitores eletrolíticos são comuns, com tensões de trabalhos conforme indicado na pista de material.

Os relés usados foram Metaltex do tipo blindado MCH para tensões conforme o acionamento e indicadas na relação de material.

A monitoria do acionamento das diversas funções foi feita com LED para possibilitar as verificações prévias em laboratório antes de uma instalação definitiva no local desejado.

Os transistores são comuns devendo os tipos de potência serem dotados de radiadores de calor nos casos em que as cargas assim o exigirem. Para o circuito integrado regulador de tensão deve ser usado um radiador de calor apropriado.

Os diodos são de uso geral de silício 1N4148 ou equivalentes.

Os motores de acionamento da tampa e da roda são de 3V acoplados a caixas de redução do tipo fornecido pela Saber Promoções que têm boa potência no regime de baixa rotação necessário a este tipo de aplicação. Evidentemente, se for usado outro tipo de motor, com redução apropriada a fonte deve ser modificada no setor correspondente.

Os sensores reed são do tipo normalmente aberto, devendo ser previstos os pequenos imãs que fazem seu acionamento e que são fixados nas partes mecânicas móveis correspondentes.

AJUSTES E USO

O protótipo deste equipamento se encontra a serviço do Instituto Oceanográfico da Universidade de São Paulo, onde a autora, Elisabete S. Braga é pesquisadora.

O único ajuste eletrônico é no trimpot do temporizador que determina o intervalo entre duas amostragens sucessivas no caso de uma chuva contínua.

Os demais ajustes são mais mecânicos no sentido de garantir o acionamento do reed-switch e das chaves de fim de curso nas posições esperadas.

(*) O desenvolvimento do projeto contou também com a participação de: Prof. Dr. Clóvis Teixeira Reinaldo Fernandes Boneto Wilson Natal de Oliveira Como se trata de projeto protegido por patente, um eventual interesse na industrialização exige consulta prévia aos autores. Nota final: Elisabete de Santis Braga é irmã de Newton C. Braga.