Dispositivo de Medição para Experimento Científico

Marlon Schliewe · 15 de maio de 2015

Caros Mestres da Eletrônica,

preciso desenvolver um dispositivo de monitoramento para a realização de uma pesquisa. O objetivo do dispositivo é traçar o padrão de oscilação de ondas de água em um tanque equipado com motor gerador de ondas. A ideia inicial é deveras simples, um tubo acrílico vazado, em toda a profundidade do tanque com uma esfera leve e flutuante que irá acompanhar a oscilação vertical da água. O problema é encontrar uma forma de medir eletronicamente essa oscilação. A primeira ideia, que me parece ter maior precisão, é usar um feixe laser (como de uma trena laser) que mediria a variação de profundidade da esfera, para que essa ideia fosse prática eu precisaria de uma interface com um sistema de aquisição de dados. A segunda ideia, que me parece mais imprecisa, e instalar na esfera um sensor magnético e medir essa variação de profundidade pela variação da força magnética. Qual, na opinião de vocês seria o caminho mais fácil?

Obs.: para os objetivos da pesquisa uma precisão de 0.1 mm já seria suficiente.

.if · 15 de maio de 2015

Talvez exista trena a laser com opção de registro de dados. Dê uma pesquisada, se já não o fez.

No meu ponto de vista, 0.1mm é uma resolução/precisão muito alta pra algo made in home. Mas você pode tentar pesquisar no google imagens por "sensor de utrasom" ou "sensor de proximidade". Algum pode te enviar os dados digitalizados mastigados. Neste caso um microcontrolador poderia recebê-los e armazená-los ou até mesmo transmitir pro seu computador em tempo real. Mas ... um passo de cada vez.

abç

aphawk · 16 de maio de 2015

@Marlon Schliewe,

Eu pensei em algo meio doido.... O princípio é o mesmo de Torricelli :

Usando um medidor de pressão atmosférica dentro de um tubo com um pouco de ar e cuja extremidade inferior esteja na água e aberta, creio que qualquer movimento da água dentro deste tubo vai resultar em um aumento ou diminuição da pressão, e estará diretamente relacionada à amplitude desse movimento... Mas teria de selecionar em catálogos um sensor que consiga medir a diferença de pressão interna causada por um movimento mínimo de 0.1 mm, e acho que se existir vai custar bem carinho...

Agora, outro método :

Por outro lado, se voce pensar no método de indução, poderia colocar um pequeno magneto boiando em um tubo, e colocar vários sensores tipo Hall espalhados em volta desse tubo com o magneto, e ficar medindo a variacão de campo em cada um deles, para se obter a posição atual do magneto. Mas para isto teria de "aferir" o sistema antes, e trabalhar com tabelas internas dessa aferição.

Já sobre o uso de Laser, não consigo ter nenhuma ideia...

Paulo

Marlon Schliewe · 16 de maio de 2015

@Marlon Schliewe,

Eu pensei em algo meio doido.... O princípio é o mesmo de Torricelli :

Usando um medidor de pressão atmosférica dentro de um tubo com um pouco de ar e cuja extremidade inferior esteja na água e aberta, creio que qualquer movimento da água dentro deste tubo vai resultar em um aumento ou diminuição da pressão, e estará diretamente relacionada à amplitude desse movimento... Mas teria de selecionar em catálogos um sensor que consiga medir a diferença de pressão interna causada por um movimento mínimo de 0.1 mm, e acho que se existir vai custar bem carinho...

Agora, outro método :

Por outro lado, se voce pensar no método de indução, poderia colocar um pequeno magneto boiando em um tubo, e colocar vários sensores tipo Hall espalhados em volta desse tubo com o magneto, e ficar medindo a variacão de campo em cada um deles, para se obter a posição atual do magneto. Mas para isto teria de "aferir" o sistema antes, e trabalhar com tabelas internas dessa aferição.

Já sobre o uso de Laser, não consigo ter nenhuma ideia...

Paulo

E infra-red? será que não rola? Talvez 0.1mm tenha sido preciosismo ... 0.5mm já estaria ótimo.

Talvez exista trena a laser com opção de registro de dados. Dê uma pesquisada, se já não o fez.

No meu ponto de vista, 0.1mm é uma resolução/precisão muito alta pra algo made in home. Mas você pode tentar pesquisar no google imagens por "sensor de utrasom" ou "sensor de proximidade". Algum pode te enviar os dados digitalizados mastigados. Neste caso um microcontrolador poderia recebê-los e armazená-los ou até mesmo transmitir pro seu computador em tempo real. Mas ... um passo de cada vez.

abç

E pesquisei as trenas, algumas tem até sistema de aquisição de dados, mas a precisão é só de 0.5cm ... aliás o segundo passo (aquisição de dados) é fundamental, mas não é a parte mais difícil, a princípio, o algoritimo registraria a variação de altura numa linha de tempo, nada muito sofisticado ... vi um vídeo no youtube ... meio que made in home, onde o cara uso um sensor infrared de prateleira ... mas não sei a que precisão ele chegou.

.if · 16 de maio de 2015

Amigo dê uma olhada nisso

Se imaginar a polia acionando um potenciômetro, você pode capturar os valores analógicos dele. Há de se considerar a velocidade da resposta

Aqui mais teorias pra te iluminar

http://www.ebah.com.br/content/ABAAAe5CAAF/medicao-nivel

abç

MOR_AL · 17 de maio de 2015

Bom.

1 - Esta precisão que você quer não vai conseguir montando com o seu nível de conhecimento, considerando o próprio tópico (ajuda e valores extremamente pequenos sugeridos).

2 - Com laser ou algum sensor ótico. Você deve considerar que a luz sofre refração, difração e dispersão ao mudar de meio ou mesmo refletir entre dois meios.

3 - A esfera leve e flutuante (bolinha de ping-pong tem cerca de 40 a 50mm e bolinha de isopor com 10mm) teria que ser pequena para conseguir que seu diâmetro seja aproximadamente do tamanho da definição de 0.5mm.

4 - Sensor de pressão poderia funcionar, caso houvesse uma compensação de temperatura, o que é difícil fazer "em casa".

5 - O tubo aberto (de acrílico ou o que for) não pode ser comprido pois ele pode funcionar como um filtro. A elevação do nível externo fica maior que no interior do tubo.

6 - Usando ultrasom. Teria que ser bem diretivo, para que reflexos causados pelas ondas não forneçam valores errôneos. Além disso, para a precisão que você deseja, teria que considerar a pressão atmosférica durante a medição e a temperatura ambiente, pois ambos fatores influenciam na velocidade de propagação do som e sua precisão não seria alcançada.

Para ter uma definição de 0.5mm, que já seria excelente, seu ultrasom (US) deveria poder medir isso. Logo o comprimento de onda do US teria que ter no máximo 0.25mm.

Como F = C / Lâmbida.

F frequência do US

C velocidade de propagação no meio (ar).

Lâmbida é o comprimento de onda do US

Então:

F = C / Lâmbida = 340m/s / 0.25mm = 340.000mm/s /0.25mm = 1.360.000Hz.

Para esta frequência deveremos considerar que o US deve estar posicionado BEEMM perto da água, já que a transmissão pelo ar é MUUITOOO atenuada. Seu sensor teria que ter um circuito (chamado condicionador de sinal) excelente, o que não é nada fácil de se fazer.

Não é um projeto simples. Tem que pensar bem em todas as possibilidades e considerar os efeitos indesejáveis relatados.

Talvez se você nos fornecer bem mais detalhes do seu projeto, incluindo seu nível técnico, poderemos compatibilizar uma opção para você.

MOR_AL

Marlon Schliewe · 17 de maio de 2015

Bom.

1 - Esta precisão que você quer não vai conseguir montando com o seu nível de conhecimento, considerando o próprio tópico (ajuda e valores extremamente pequenos sugeridos).

2 - Com laser ou algum sensor ótico. Você deve considerar que a luz sofre refração, difração e dispersão ao mudar de meio ou mesmo refletir entre dois meios.

3 - A esfera leve e flutuante (bolinha de ping-pong tem cerca de 40 a 50mm e bolinha de isopor com 10mm) teria que ser pequena para conseguir que seu diâmetro seja aproximadamente do tamanho da definição de 0.5mm.

4 - Sensor de pressão poderia funcionar, caso houvesse uma compensação de temperatura, o que é difícil fazer "em casa".

5 - O tubo aberto (de acrílico ou o que for) não pode ser comprido pois ele pode funcionar como um filtro. A elevação do nível externo fica maior que no interior do tubo.

6 - Usando ultrasom. Teria que ser bem diretivo, para que reflexos causados pelas ondas não forneçam valores errôneos. Além disso, para a precisão que você deseja, teria que considerar a pressão atmosférica durante a medição e a temperatura ambiente, pois ambos fatores influenciam na velocidade de propagação do som e sua precisão não seria alcançada.

Não é um projeto simples. Tem que pensar bem em todas as possibilidades e considerar os efeitos indesejáveis relatados.

Talvez se você nos fornecer bem mais detalhes do seu projeto, incluindo seu nível técnico, poderemos compatibilizar uma opção para você.

MOR_AL

Excelente resposta a sua. Sou mestrando em engenharia civil, e no meu projeto de pesquisa construiremos um canal hidráulico para estudar processos erosivos causados por ondas, por isso o correto monitoramento do perfil das ondas geradas é decisivo para avaliar o que podemos chamar de energia erosiva (combinação de impacto das ondas com variações de pressões internas no solo). Como você pode ver pela minha linha de estudo e especialização eu não tenho nada tem a ver com a área de eletrônica, mas a minha pesquisa seria muito prejudicada ou, melhor dizendo, estaria fadada ao fracasso, se eu apelasse para um monitoramento rudimentar dessas ondas com régua ou câmera de vídeo.

MOR_AL · 17 de maio de 2015

Então vamos lá.

1 - Seria preferível que você já dispusesse do equipamento, pois o mestrado é curto para fazer um instrumento e depois utiliza-lo para obter dados. A parte principal do mestrado é justamente a de analisar os dados e utiliza-los para, por meio de um estudo estatístico, poder concluir algo. Já passei por isso e posso lhe dizer que o equipamento não contribui em nada para o seu diploma, apenas os dados. Sendo assim, seria ótimo você fazer um cronograma que incluísse o seu tempo para chegar a obter o seu aparelho funcionando.

2 - Em razão disso, por você não possuir conhecimento de eletrônica e por não dispuser do equipamento, sugiro que dedique algum tempo utilizando a linguagem do Arduino, pois é a mais imediata para aprender e gerenciar esses dados.

Apenas o Arduino não seria suficiente, pois antes dele é necessário você definir um transdutor (nível da onda para tensão elétrica).

Este transdutor ainda teria que passar por um bloco eletrônico conhecido como "Condicionador de Sinal". Este bloco tem a função de transformar as pequenas variações de tensão do transdutor em uma faixa compatível com a faixa de tensão aceita para o Arduino (que seria a mesma para quase todas as plataformas de microcontrolador). Além disso, este bloco deve possuir algum tipo de filtro para atenuar o que não for sinal útil (tensões geradas pela onda), como ruído da rede elétrica e outros, que porventura possam estar presentes.

3 - Você não forneceu detalhes do seu canal hidráulico, como: Variação máxima do nível da onda, duração do experimento, etc.

Certamente que a onda não deveria "quebrar", caso contrário além da amplitude, outros fatores entrariam na equação, como energia da onda, pressão etc. Aí seu trabalho seria para doutorado e não mestrado.

4 - Você ainda vai construir o tal canal hidráulico? E o tempo para isso? Você precisa de um auxílio, pois esse trabalho é multidisciplinar e não dá tempo. Todo mundo que se propõe a ajudá-lo trabalha e tem seus próprios problemas. Este pessoal estaria utilizando seu tempo livre para tal. Aí você assume o papel do padre pedindo auxílio aos paroquianos.

5 - Acho que você deve rever as especificações do valor mínimo de sua menor variação de medida, pois está proibitiva. Um valor mais razoável seria de 0.5cm, ou 1/100 da variação máxima de sua onda (o que for maior). Aí o projeto não ficaria tão difícil e trabalhoso.

Confesso que pensei no assunto do sensor e todas as minhas ideias esbarraram nessa sua menor variação de medição (0.5mm). Mesmo assim, com 0.5cm, apesar de menos trabalhoso, ainda assim levaria um tempo, que acredito que você não disponha.

Boa sorte em seu mestrado.

MOR_AL

Marlon Schliewe · 18 de maio de 2015

Então vamos lá.

1 - Seria preferível que você já dispusesse do equipamento, pois o mestrado é curto para fazer um instrumento e depois utiliza-lo para obter dados. A parte principal do mestrado é justamente a de analisar os dados e utiliza-los para, por meio de um estudo estatístico, poder concluir algo. Já passei por isso e posso lhe dizer que o equipamento não contribui em nada para o seu diploma, apenas os dados. Sendo assim, seria ótimo você fazer um cronograma que incluísse o seu tempo para chegar a obter o seu aparelho funcionando.

2 - Em razão disso, por você não possuir conhecimento de eletrônica e por não dispuser do equipamento, sugiro que dedique algum tempo utilizando a linguagem do Arduino, pois é a mais imediata para aprender e gerenciar esses dados.

Apenas o Arduino não seria suficiente, pois antes dele é necessário você definir um transdutor (nível da onda para tensão elétrica).

Este transdutor ainda teria que passar por um bloco eletrônico conhecido como "Condicionador de Sinal". Este bloco tem a função de transformar as pequenas variações de tensão do transdutor em uma faixa compatível com a faixa de tensão aceita para o Arduino (que seria a mesma para quase todas as plataformas de microcontrolador). Além disso, este bloco deve possuir algum tipo de filtro para atenuar o que não for sinal útil (tensões geradas pela onda), como ruído da rede elétrica e outros, que porventura possam estar presentes.

3 - Você não forneceu detalhes do seu canal hidráulico, como: Variação máxima do nível da onda, duração do experimento, etc.

Certamente que a onda não deveria "quebrar", caso contrário além da amplitude, outros fatores entrariam na equação, como energia da onda, pressão etc. Aí seu trabalho seria para doutorado e não mestrado.

4 - Você ainda vai construir o tal canal hidráulico? E o tempo para isso? Você precisa de um auxílio, pois esse trabalho é multidisciplinar e não dá tempo. Todo mundo que se propõe a ajudá-lo trabalha e tem seus próprios problemas. Este pessoal estaria utilizando seu tempo livre para tal. Aí você assume o papel do padre pedindo auxílio aos paroquianos.

5 - Acho que você deve rever as especificações do valor mínimo de sua menor variação de medida, pois está proibitiva. Um valor mais razoável seria de 0.5cm, ou 1/100 da variação máxima de sua onda (o que for maior). Aí o projeto não ficaria tão difícil e trabalhoso.

Confesso que pensei no assunto do sensor e todas as minhas ideias esbarraram nessa sua menor variação de medição (0.5mm). Mesmo assim, com 0.5cm, apesar de menos trabalhoso, ainda assim levaria um tempo, que acredito que você não disponha.

Boa sorte em seu mestrado.

MOR_AL

Então,

a situação é a seguinte, entrei nesse ano como aluno especial e provavelmente devo permanecer nessa condição até o final desse ano, mas no início de 2016 não vou conseguir enrolar os professores mais e terei de me matricular como aluno regular, e só a partir daí começaria a contar o prazo de 2 anos para defesa. Os professores estão querendo sustentar um cronograma de ter o canal em funcionamento já no segundo semestre desse ano. Dois TCC's da graduação serão feitos no sentido de "calibrar" o funcionamento do canal, estudando a variação das ondas, em função da variação da potência do motor e em função da altura de lâmina d'água. Antes de trabalhar na minha pesquisa propriamente dita, eu atuaria como uma espécie de coorientador nesses TCC's, poi eu preciso dessa "calibração" para a minha pesquisa; por isso estou acompanhando desde a fase de projeto incluindo esses detalhes de instrumentação.

Nesse canal nós não trabalharemos com a quebra da onda, porque aí já seria, como você comentou, um regime de fluxo mais complexo (de semi-turbulento a turbulento); vamos trabalhar sempre com regime laminar, mais controlável. Mas mesmo assim, conversando com outros conhecidos da área, constatei algo que você comentou, que um sistema de medição muito preciso, com o mínimo de interferência seria algo muito caro, e como o custo é algo restritivo na nossa verba de pesquisa, fica mais difícil chegar a algo com custo razoável e precisão aceitável.

Uma prática que é bem aceita no meio acadêmico da engenharia geotécnica é a análise de imagens digitais, desde que sejam feitas as devidas correções em função de efeitos de refração e em função da resolução do equipamento (câmera). Nesse caso uma câmera digital, um bom tripé, um equipamento topográfico de precisão para posicionar esse aparato e um conjunto de programas para análise de imagens (que permita uma medição do grid) e de análise de vídeos (fator tempo) seriam suficientes. Entretanto, perde-se aí praticidade (porque a análise é mais demorada) e perde-se confiabilidade, porque a medição não é automática, fica sujeita ao erro humano. Por outro lado, ganha-se fidelidade na medição, poi o fluxo fica com zero de perturbação e pode-se obter medidas com muita precisão. E os professores orientadores da pesquisa estão fortemente inclinados para o uso dessa metodologia.

Veremos, eu sinceramente gostaria de uma aquisição automática desses dados, para não perder muito tempo discretizando o fluxo, poi o meu foco são as perturbações na estrutura do solo, mas acho que não vou conseguir me livrar desse osso.

De qualquer forma, agradeço a você e a todos que responderam, surgiram muitas ideias interessantes e conceitos importantes, muito esclarecimento.