Desenvolvimento de sensor acústico para medição de corrente marítima

Gil Mauro Cruz Fangueiro Desenvolvimento de sensor acústico para medição de corrente marítima Dissertação de Mestrado Mestrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores Trabalho efetuado sob a orientação do Professor Doutor Marcos Silva Martins Outubro de 2019 i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-CompartilhaIgual CC BY-SA https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/ ii Agradecimentos Gostaria de agradecer ao meu orientador Professor Doutor Marcos Martins toda a atenção e apoio ao longo da realização desta dissertação, bem como ao orientador do grupo NEXTSEA Professor Doutor Luís Gonçalves que me lançou este desafio e me acompanhou durante toda a sua evolução. Aos meus parceiros de projeto Carlos Faria, João Baptista e Tiago Matos pela companhia, apoio e boa disposição. Agradecer aos meus pais o enorme apoio e compreensão em todo o meu percurso académico. Por ultimo, à minha namorada, Diana Trocado pela paciência em me ouvir a desabafar sobre os vários obstáculos encontrados na realização deste projeto. A todos, muito obrigado! iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. iv Resumo O objetivo deste trabalho é desenvolver um sensor acústico capaz de medir correntes marítimas. Este projeto surge da necessidade de recolher alguns dados de interesse marítimo com o objetivo de criar modelos de funcionamento dos ecossistemas. Neste projeto pretende-se colocar vários sensores georreferenciados, a diferentes profundidades, a fazer medições e a armazenar os dados respetivos. Este sensor será responsável por medir a velocidade da água que flui num determinado nó do sistema. Este deverá ser capaz de medir a intensidade da corrente e a direção independentemente da sua posição no espaço, necessitando por isso de um magnetómetro (bússola digital) para utilizar o norte geográfico como referência. O sensor de corrente marítima que é apresentado utiliza transdutores piezoelétricos ultrassónicos pretendendo com isso tornar o sistema mais fiável e com maior robustez devido à ausência de partes móveis. A propriedade dos ultrassons explorada neste trabalho para obtenção da velocidade da corrente é o tempo de voo. O tempo de voo é o tempo que um determinado sinal demora a propagar-se num determinado meio entre dois pontos. No desenvolvimento do sensor será estudado o formato da estrutura, a posição e a orientação dos transdutores, de forma a melhorar a qualidade das medições em diferentes condições. Tal deverá ter em conta a robustez, dimensões razoáveis e evitar fenómenos de turbulência no volume de água a ser medido. O processamento dos sinais enviados e recebidos pelos transdutores será executado por um circuito integrado capaz de executar rotinas de medição de tempo de voo e de temperatura. Esse circuito integrado irá comunicar com um microcontrolador que irá interpretar os tempos de voo e converter na velocidade do fluido. Para além da comunicação com este circuito integrado, o microcontrolador, terá que comunicar com um relógio de tempo real, para obtenção de uma referência temporal, com um cartão de memória, para armazenamento de dados num ficheiro e com um magnetómetro, para obter uma referência de orientação ao norte geográfico já que o sensor não estará fixo. Com vários sensores destes é possível entender fenómenos de transporte à escala costeira, graças aos dados que é possível obter com um instrumento de medição desta escala. Palavras-Chave: Sensor de corrente marítima, ultrassons, tempo de voo, ADCP ( Acoustic Doppler Current Profiler ), transdutores piezoelétricos. v Abstract The objective of this work is to develop an acoustic sensor capable of measuring sea currents. This project arises from the need to collect some data of maritime interest with the aim of creating models for the functioning of ecosystems. In this project, we intend to place several georeferenced sensors at different depths to make measurements and store the respective data. This sensor will be responsible for measuring the velocity of the water flowing in a particular node of the system. It should be able to measure the intensity of the current and direction independently of its position in space, thus necessitating a magnetometer (digital compass) to establish geographic north as a reference. The marine current sensor which is shown utilizes ultrasonic piezoelectric transducers in order to make the system more reliable and more robust due to the absence of moving parts. The property of the ultrasound explored in this work to obtain the velocity of the current is the flight time. Flight time is the time that a given signal takes to propagate in a certain medium between two points. In the development of the sensor will be studied the structure format, the position and the orientation of the transducers, in order to improve the quality of the measurements under different conditions. This should take into account the robustness, reasonable dimensions and avoid phenomena of turbulence in the volume of water to be measured. The processing of the signals sent and received by the transducers will be performed by an integrated circuit capable of performing flight time and temperature measurement routines. This integrated circuit will communicate with a microcontroller that will interpret flight times and convert to fluid velocity. In addition to communicating with this integrated circuit, the microcontroller must communicate with a real-time clock, to obtain a time reference, with a memory card, to store data in a file and with a magnetometer, to obtain a reference geographic north since the sensor will not be static. With several sensors of these it is possible to understand transport phenomena to the scale of the coast, thanks to the data that can be obtained with a measurement instrument of this scale. Keywords: Maritime current sensor, ultrasound, time of flight, ADCP ( Acoustic Doppler Current Profiler ), piezoelectric transducers. vi Índice 1. Introdução ............................................................................................................ 1 1.1 Motivação ............................................................................................................ 1 1.2 Enquadramento ................................................................................................... 1 1.3 Objetivos ............................................................................................................. 3 1.4 Aplicações ........................................................................................................... 3 1.5 Especificação dos requisitos do sistema ............................................................... 3 1.6 Organização da dissertação ................................................................................. 5 2. Estado da arte ...................................................................................................... 6 2.1 Sensor de corrente por inclinação ........................................................................ 7 2.2 Perfilador de corrente acústico por efeito de Doppler ............................................ 7 2.3 Medidor de corrente 3D por efeito de Doppler / variação de frequência ................ 8 2.4 Medidor de corrente 3D por tempo de trânsito / variação de fase ........................ 9 3. Fundamentos teóricos ........................................................................................ 10 3.1 Efeito Piezoelétrico e transdutores de ultrassom ................................................. 10 3.2 Transdutores de ultrassom ................................................................................ 11 3.3 Propagação do som em meio aquático .............................................................. 11 3.3.1. Atraso de propagação ................................................................................ 11 3.3.2. Atenuação ................................................................................................. 12 3.3.3. Ruido ambiente ......................................................................................... 12 3.3.4. Efeito de doppler ....................................................................................... 13 3.3.5. Multi-percurso ........................................................................................... 13 3.4 Funcionamento de medição da velocidade de fluidos por variação do tempo de voo ......................................................................................................................................... 13 4. Desenvolvimento do sensor ................................................................................ 18 vii 4.1 Escolha dos componentes do sistema ................................................................ 18 4.2 Análise do funcionamento dos transdutores ....................................................... 20 4.3 Análise do funcionamento da placa de desenvolvimento ..................................... 21 4.4 Desenvolvimento do primeiro protótipo .............................................................. 23 4.5 Desenvolvimento do segundo protótipo .............................................................. 27 4.6 Desenvolvimento e implementação dos circuitos eletrónicos .............................. 31 4.7 Desenvolvimento do Software ............................................................................ 36 5. Testes e Resultados ............................................................................................ 43 5.1 Desenvolvimento de plataforma de testes .......................................................... 43 5.2 Testes no tanque ............................................................................................... 45 5.3 Simulações dos fluidos ...................................................................................... 47 6. Conclusões e trabalho futuro .............................................................................. 51 6.1 Conclusão ......................................................................................................... 51 6.2 Trabalho Futuro ................................................................................................. 52 7. Bibliografia ......................................................................................................... 53 viii Lista de figuras Figura 1 - Esquema de sistema Next-Sea. ....................................................................... 2 Figura 2 - Esquema de funcionamento do sensor de corrente por inclinação. .................. 7 Figura 3 - Esquema de funcionamento de um sistema ADCP. ......................................... 8 Figura 4 - Sensor de corrente 3D por efeito de Doppler e seu princípio de funcionamento [6]. ................................................................................................................................ 8 Figura 5 - Sensor de corrente 3D por tempo de voo [9]. .................................................. 9 Figura 6 - TOF com comunicação direta entre transdutores. ......................................... 13 Figura 7 - TOF com superficie de reflexão entre transdutores. ....................................... 15 Figura 8 - TOF com superfície de reflexão entre transdutores simplificado. .................... 16 Figura 9 - TOF com superfície de reflexão entre transdutores a duas dimensões. .......... 17 Figura 10 - Esquema de funcionamento do sistema da Texas Instruments [15] . ............ 18 Figura 11 - Diagrama de blocos do MAX35103. ............................................................ 19 Figura 12 - Aspeto dos transdutores de ultrassom utilizados. ........................................ 19 Figura 13 - Suporte para análise de funcionamento dos transdutores de ultrassom. ...... 20 Figura 14 - Placa de desenvolvimento MAX35103. ....................................................... 21 Figura 15 - Diagrama de funcionamento geral da placa de desenvolvimento MAX35103 EVALUATION KIT. ........................................................................................................ 22 Figura 16 - Interface do software da placa de desenvolvimento. .................................... 22 Figura 17 - Estrutura do primeiro protótipo. .................................................................. 23 Figura 18 - Testes de reflexão acústica aos suportes dos transdutores. ......................... 24 Figura 19 - Visão geral da eletrónica a utilizar no primeiro protótipo. ............................. 24 Figura 20 - Protótipo pronto para testes de submersão. ................................................ 25 Figura 21 - Sinais elétricos nos transdutores. Emissor em cima e recetor em baixo. ...... 26 Figura 22 - Testes em tanque no laboratório do primeiro protótipo. ............................... 26 Figura 23 - Estrutura do segundo protótipo. .................................................................. 27 Figura 24 - Junta de silicone. ....................................................................................... 28 Figura 25 - Produção da caixa estanque do último protótipo. ........................................ 29 Figura 26 - Protótipo final do sensor de correntes maritimas. ........................................ 29 Figura 27 - Esquemático do circuito do MAX35103. ..................................................... 31 Figura 28 - Esquemático do circuito de comutação de pares de transdutores. ............... 32 4  Funcionamento completamente submerso;  Resistência a impactos;  Robustez suficiente para suportar tração do cabo de fixação;  Imunidade ao desenvolvimento vegetativo;  Resistência à corrosão;  Baixo consumo;  Autossuficiência energética para período de estudo;  Capacidade de armazenamento de dados;  Associar hora e data aos dados recolhidos;  Capacidade de recolher dados num período definido;  Facilidade de instalação;  Possibilidade de instalação em estrutura móvel;  Peso reduzido;  Tamanho reduzido;  Baixo custo;  Modularidade. O estabelecimento dos requisitos do sistema permitiu restringir as opções disponíveis para resolução de cada problema. Devido à ausência de partes móveis, os sistemas acústicos por ultrassom revelaram algumas vantagens em termos de robustez, imunidade ao desenvolvimento vegetativo e estanquicidade da eletrónica. Não menos importante foi a escolha da tecnologia de leitura a adotar pelo sistema de ultrassons. Devido à oferta de componentes eletrónicos capazes de executar uma rotina de medição de tempo de voo e temperatura com baixo consumo energético, a escolha recaiu sobre um sistema baseado no tempo de voo (Time of Flight na literatura inglesa e com o acrónimo TOF) em vez de uma leitura baseada no efeito de Doppler. Apesar do sistema baseado no efeito de Doppler ser menos evasivo para o meio, pois não requer uma superfície de reflecção dos ultrassons, porque reflete nas partículas em suspensão no meio a analisar, este tipo de funcionamento exige a existência de partículas em suspensão, sejam elas, partículas de ar ou de outro tipo de material que provoquem a reflecção do som nas suas superfícies. Sendo que o comprimento de onda do som dos transdutores está relacionado com as dimensões das partículas refletoras, em ambiente marítimo seria difícil garantir que essas condições permitiriam medir a velocidade do fluido [3]. 5 Apesar do sistema TOF exigir algum volume para recolha de dados com boa resolução e sensibilidade (depende do tempo que o som vai do emissor para o recetor e consequentemente da distancia entre os dois), é possível que o peso e dimensões sejam bastante inferiores às soluções existentes no mercado. Para conferir robustez será essencial usar aço com alta resistência à corrosão na estrutura do sensor. Para que o peso não aumente demasiado, será utilizada resina epóxi em algumas estruturas o que também permitirá conferir estanquicidade à eletrónica. Para que seja possível permanecer submerso a recolher amostras durante longos períodos de tempo será necessário ter em consideração um baixo consumo energético durante todo esse período e assim não exigir uma bateria de dimensões exageradas. Uma das técnicas para diminuir o consumo consiste em ligar o sistema periodicamente para recolher amostras de dados. Visto que para além do microcontrolador, vários sensores deverão ser alimentados todos no mesmo barramento, o modo “ sleep ” do microcontrolador não será suficientemente eficiente nos períodos de inoperação. Assim deverá ser usado um LDO (Low-Dropout) capaz de ser ativo por um RTC (Real Time Clock) com alimentação própria e assim baixar drasticamente o consumo de corrente. 1.6 Organização da dissertação Esta dissertação encontra-se dividida em 6 capítulos. No capítulo 1 é descrita a motivação para a realização desta dissertação. No capítulo 2 foram pesquisadas as atuais soluções para o problema descrito no primeiro capítulo e suas limitações, obtendo uma visão geral de qual o estado da arte. Nos fundamentos teóricos, 3º capítulo, são abordados conceitos essenciais à compreensão dos temas abordados ao logo da dissertação. Sendo o objetivo principal desta dissertação desenvolver um sensor de corrente marítima, o capitulo 4 é onde são descritas as etapas de desenvolvimento de dois protótipos. Este capítulo possui subcapítulos que descrevem como foi desenvolvida a eletrónica, o software e a estrutura. No 5º capítulo, são apresentados os testes realizados ao protótipo desenvolvido e consequentes resultados. No último capítulo apresentam-se as conclusões a este estudo e melhorias a executar no futuro desenvolvimento. 6 2. Estado da arte No estudo do estado da arte analisou-se apenas os sistemas que não dependiam de partes móveis. Sendo assim, sistemas com rotores ou pás para orientação na corrente foram descartados. Atualmente, na medição da velocidade de fluidos no interior de condutas são utilizados 3 tipos de princípio de transdução que não só não possuem partes móveis como também não induzem perturbações nos fluidos a analisar. Sendo esses princípios de transdução, acústicos, térmicos e por efeito de vortex. Este ultimo, apesar de ter as vantagens supracitadas, não seria viável para a aplicação a desenvolver porque exige fluidos a grande velocidade e obriga à utilização de estruturas que não permitiriam medir a mais do que uma dimensão. O princípio de transdução térmico não permite obter consumos tão baixos quanto a transdução acústica. Por fim, os sensores acústicos despertaram maior interesse, tendo estes as seguintes vantagens e desvantagens. Vantagens:  Técnicas ultrassónicas são não invasivas;  Medição em linha;  Resposta rápida;  Baixo consumo energético;  Ótima estabilidade a longo prazo;  Alta resolução e precisão. Desvantagens:  Maior exigência na precisão dos componentes eletrónicos;  Caminho livre entre emissor e recetor acústico;  Conhecimento prévio das propriedades acústicas do meio em que o som se irá propagar;  Aumento da atenuação do sinal acústico com a sua frequência. Os sistemas abaixo apresentados são aqueles que causam maior influência no desenvolvimento deste projeto, sendo eles:  Sensor de corrente por inclinação;  Perfilador de corrente Doppler acústico;  Medidor de corrente 3D por efeito de Doppler / variação de frequência;  Medidor de corrente 3D por tempo de trânsito. 7 2.1 Sensor de corrente por inclinação Este sensor baseia-se na inclinação de todo o sistema de medição para aferir a velocidade da corrente. Figura 2 - Esquema de funcionamento do sensor de corrente por inclinação. Os vários sensores colocados ao longo da estrutura vertical utilizam acelerómetros e magnetómetros para calcular a sua inclinação e relacioná-la com a intensidade da corrente. O conceito de medição da inclinação é simples, porém a relação com o valor da velocidade da corrente é complexo, devido à presença de turbulência e ondulação [4]. 2.2 Perfilador de corrente acústico por efeito de Doppler O perfilador de corrente acústico (ADCP - Acoustic Doppler Current Profiler) tem como base de funcionamento dois fenómenos acústicos, tempo de trânsito e efeito de doppler. Os feixes acústicos são enviados desde o fundo da coluna de água que se pretende analisar na direção da superfície. Os ecos recebidos em tempos diferentes identificam a distância a que estavam as partículas que o refletiram e a frequência caracteriza a sua velocidade. 8 Devido ao facto do feixe acústico ter de percorrer toda a coluna de água, este sistema torna-se dispendioso de produzir e o seu consumo energético é elevado. Para além disso, os transdutores piezoelétricos funcionam como emissores e recetores, o que torna o seu design mais complicado, bem como a eletrónica necessária associada a cada um deles [5]. 2.3 Medidor de corrente 3D por efeito de Doppler / variação de frequência O medidor de corrente 3D caracteriza-se por ser composto por um emissor e 3 recetores. A Figura 4 [6] ilustra o seu aspeto e identifica a localização de cada transdutor. Figura 3 - Esquema de funcionamento de um sistema ADCP. Figura 4 - Sensor de corrente 3D por efeito de Doppler e seu princípio de funcionamento [6]. 9 O emissor envia um feixe acústico numa direção remota ao sensor e os recetores recebem o sinal acústico refletido pelas partículas refletoras nessa mesma localização. Na figura é possível ver que a amostra de água analisada tem uma representação volumétrica diminuta e situa-se a distância suficiente para não ser influenciada pela presença do sensor [7]. 2.4 Medidor de corrente 3D por tempo de trânsito / variação de fase Este tipo de sensor baseia-se no tempo de trânsito do som de um emissor para um recetor para uma distância fixa. Se o tempo de trânsito entre um ponto A e B é igual ao de B para A, então quererá dizer que o meio onde a onda acústica se propaga encontra-se imóvel no eixo entre esses dois pontos [8]. Desta forma poderemos aferir a velocidade de propagação no meio, já que a distância entre A e B é conhecida. Se o fluido correr no sentido de A para B, então o tempo de trânsito diminuirá de A para B e aumentará de B para A. Com essa diferença é possível calcular a velocidade da água nessa direção. Com um arranjo de transdutores não colinear mais complexo teremos um instrumento semelhante ao da Figura 5 [9], o que permitirá obter dados a 3 dimensões. No caso do sensor presente na Figura 5, são utilizados 8 transdutores de ultrassom, 4 em cima e 4 em baixo. Figura 5 - Sensor de corrente 3D por tempo de voo [9]. 10 3. Fundamentos teóricos Neste capítulo abordamos alguns conceitos importantes para a compreensão do funcionamento do sensor acústico para medir a velocidade de fluidos. Começamos por entender o efeito piezoelétrico e quão importante foi para o desenvolvimento de transdutores acústicos de ultrassons, descrevemos alguns fenómenos que ocorrem com o som na água e analisamos como relacionar o tempo de voo entre transdutores e a velocidade do meio em que esse som se propaga. 3.1 Efeito Piezoelétrico e transdutores de ultrassom A piezoeletricidade, do grego piezein, que significa apertar/pressionar, foi descoberta pelos irmãos Pierre e Jacques Currie em França, a 1880. Este fenómeno consiste na capacidade que alguns cristais têm em transformar energia mecânica, exercida sob a forma de pressão, em energia elétrica, e vice-versa. A piezoeletricidade pode apresentar-se em duas formas: efeito piezoelétrico direto, em que é gerada uma carga elétrica interna resultante da aplicação de uma força mecânica ao corpo, e o efeito piezoelétrico reverso, em que a aplicação de um campo elétrico resulta na deformação mecânica no corpo. Assim, quando um material piezoelétrico está sobe a influência de um campo elétrico é esperado que este se deforme, em que a direção desta deformação irá depender da simetria do cristal e da direção na qual o estímulo é aplicado, enquanto que a sua magnitude dependerá da constante de piezoeletricidade do próprio material. A maioria dos cristais não possui propriedades piezoelétricas. No entanto, o cristal natural mais importante que possui esta propriedade é o quartzo, que devido à sua grande abundância é amplamente usado em aplicações piezoelétricas. Além deste, devido à facilidade de sintetização, são também bastante usados cristais cerâmicos à base de titanato de bário ou zirconato de chumbo (PZT) [10]. De seguida abordaremos as propriedades piezoelétricas aplicadas à produção de transdutores de ultrassom. 11 3.2 Transdutores de ultrassom Os humanos não são capazes de ouvir ultrassons, sendo o limite do ouvido humano cerca de 20 kHz, no entanto existem outros membros do reino animal capazes de o fazer. Estes animais usam ultrassons para ecolocalização devido às exigências do seu habitat, tornando-os capazes de distinguir objetos que de outra forma não seria possível. Assim, desde o início ficou claro que para que os ultrassons evidenciassem a sua importância para os humanos, seria necessário criar uma tecnologia que fosse capaz de gerar e detetar vibrações a frequências ultrassónicas. As primeiras tentativas de exploração dessas tecnologias envolviam jatos de ar a alta pressão através de fendas estreitas e arestas de metal afiadas e outras estruturas semelhantes para produzir os primeiros geradores de ultrassom. Mais tarde, a tecnologia evoluiu para estruturas eletromecânicas baseadas em piezoeletricidade e magnetostrição.[11] Atualmente os materiais piezoelétricos são bastante comuns no fabrico de transdutores de ultrassom devido à sua ótima resposta a sinais de alta frequência com alguns materiais polímeros a permitem frequências até 160 MHz.[12] Os transdutores utilizados têm como características uma frequência de ressonância de 1 MHz, uma impedância de 220 Ω e uma capacidade aproximada de 900 pF. Estas características dependem das propriedades do elemento piezoelétrico do transdutor, no entanto essas características não são especificadas no manual do fabricante. 3.3 Propagação do som em meio aquático A propagação do som em meio aquático é caracterizada por ser influenciada pelos seguintes fenómenos [12]:  Atraso de propagação;  Atenuação;  Ruido ambiente;  Efeito de doppler;  Multi-percurso. De seguida iremos fazer uma descrição sucinta ao que se refere cada um dos termos. 3.3.1. Atraso de propagação O facto do som ter uma velocidade de propagação de cerca de 1500 m/s dentro de água, faz com que este não se propague instantaneamente entre dois pontos, sendo que a esta velocidade o som demora cerca de 0,66 segundos a percorrer um quilometro. Em termos de comparação, por ser 12 um meio com o qual estamos mais familiarizados, no ar, essa velocidade é quase 5 vezes inferior, ou seja, propagando-se um pouco mais rápido que 300 m/s. A velocidade de propagação do som na água, é fortemente influenciado por outros fatores como, temperatura, salinidade e profundidade, sendo que com o aumento de cada um destes fatores essa velocidade aumenta. 3.3.2. Atenuação Entre um emissor e um recetor existe perda de energia no sinal transmitido já que as ondas de som perdem e dispersam essa energia à medida que se propagam no meio de transmissão. Essa perda de energia deve-se essencialmente ao fenómeno de atenuação. A atenuação é tanto maior quanto maior for a distância a percorrer pelo som bem como quanto maior for a frequência do som transmitido. Importa referir que a atenuação é composta por 3 componentes: perda por absorção, perda por espalhamento do feixe sonoro e dispersão. A perda por absorção é a componente com maior peso na atenuação e a que mais é influenciada pela frequência do sinal, esta perda de energia acústica deve-se à absorção das ondas de pressão sonora sob a forma de calor. A perda por espalhamento do feixe de som deve-se ao facto do som expandir a sua área de impacto à medida que se propaga no meio, havendo som que se “perde” no meio de transmissão não atingindo o recetor. Quanto maior for a distancia ao emissor, maior é a área da frente de pressão do feixe de som. A perda por dispersão deve-se ao faco das partículas em suspensão nesse meio redirecionarem a propagação do som numa determinada direção para direções indefinidas assim que o som atinge cada uma dessas partículas. Se as partículas em suspensão são grandes em comparação com o comprimento de onda do som, a reflexão é especular (refletida apenas numa direção), se as partículas forem inferiores ao comprimento de onda, o som acaba por “contornar” o objeto através do fenómeno de difração [13]. 3.3.3. Ruido ambiente O ruido num determinado canal acústico pode ser caracterizado em função da sua origem. Este pode ter origem humana, ser específico a um local e gerado por fenómenos naturais. Em ambiente oceânico, as principais fontes de ruído são:  Turbulência; 13  Navios em atividade;  Ondas à superfície;  Ruido térmico. 3.3.4. Efeito de doppler É possível apreciar o efeito de Doppler sempre que uma ambulância passa por nós na beira de uma estrada com a sirene ligada. Aquilo que nos é percetível é que a frequência do som da sirene é maior quando a ambulância se aproxima e menor quando a ambulância se afasta de nós e isso é precisamente o efeito de Doppler. Assim sendo, o efeito de Doppler é a variação da frequência do som emitido por um objeto em movimento percecionada por um recetor externo. O ADCP e o medidor de corrente 3D por efeito de Doppler descritos no capítulo 2, tiram proveito deste fenómeno, e da dispersão ( Scattering ), já que o meio por si só não emite som, mas as partículas em suspensão são capazes de refletir o som que sobre elas incidir. 3.3.5. Multi-percurso Este fenómeno de propagação ocorre quando um sinal acústico atinge o transdutor recetor vindo de mais do que um percurso, o que leva a que os sinais se sobreponham no recetor. Este fenómeno deve-se essencialmente a superfícies que reflitam o sinal acústico no seu caminho de propagação natural causando ecos que podem gerar erros de interpretação por parte do sensor de corrente. 3.4 Funcionamento de medição da velocidade de fluidos por variação do tempo de voo Num fluido estático é espectável que o tempo que um som demora a ir de um ponto para o outro seja igual em ambos os sentidos. Na Figura 6 vemos o caso em que o meio em que o som se propaga entre os dois pontos se move num desses sentidos, estando representado pela seta “Corrente” e as setas entre os transdutores representam o caminho percorrido pelo som em instantes de tempo diferentes, ou seja, os transdutores comutam entre o modo recetor e emissor. Figura 6 - TOF com comunicação direta entre transdutores. 20 Com a escolha destes componentes é possível medir a velocidade apenas numa direção, pois não existe forma de comutar o integrado da Maxim entre os dois pares de transdutores. Para executar essa função foram escolhidos 2 comutadores do tipo Single-Pole Double-Throw com a referência 742G3157DCKR. São utilizados dois componentes e não apenas um que execute a mesma função, para evitar problemas de ruído gerados por cross talk entre emissor e recetor. Como principais características destacam-se as reduzidas dimensões, a tensão de alimentação entre 1,65 V e 5,5 V e a velocidade de comutação de 0,5 ns [9]. Como a estação de medição não ficará fixa, é necessário saber a sua orientação após execução de cada medição. Um magnetómetro poderia ser suficiente para executar essa tarefa, no entanto uma Intertial Mesurement Unit (IMU) poderá dar-nos mais informações em relação à dinâmica do sensor e por esse motivo foi escolhido um MPU9255 devido à sua acessibilidade, baixo custo e bibliotecas disponíveis [16]. Para associação das medições a um instante de tempo foi utilizado um RTC da Maxim , o DS3231, pelas mesmas razões que o IMU, acessibilidade, baixo custo e bibliotecas disponíveis. Finalmente, para armazenamento de dados será usado um cartão de memória do tipo micro SD (Secure Digital). 4.2 Análise do funcionamento dos transdutores Para analisar o funcionamento dos transdutores, foi desenvolvido um suporte com a capacidade de poder variar o ângulo e a distância entre transdutores, sendo visível na Figura 13. Figura 13 - Suporte para análise de funcionamento dos transdutores de ultrassom. 21 Este suporte permitiu fazer uma análise superficial do funcionamento dos sensores utilizando um osciloscópio e um gerador de sinais. Foi possível ganhar sensibilidade em relação à amplitude do sinal no recetor utilizando uma comunicação direta entre emissor e recetor e utilizando diferentes materiais para refletir os sinais acústicos de forma indireta. 4.3 Análise do funcionamento da placa de desenvolvimento Para facilitar o desenvolvimento de um protótipo com base no circuito integrado MAX35103 foi adquirida uma placa de desenvolvimento, MAX35103 EVALUATION KIT. Apesar do circuito integrado principal ser de dimensões reduzidas, a placa apresenta dimensões consideravelmente grandes (174mm x 79mm x 21mm) e apresenta-se na Figura 14. No topo da placa é possível ver os conectores disponíveis para as diferentes funções. Do lado esquerdo existe um conector mini USB (Universal Serial Bus) para conectar a um computador, do lado direito dois conectores BNC (Bayonet Neill Concelman) para conexão dos transdutores piezoelétricos, em baixo 2 conectores para os transdutores térmicos PT1000 e em cima dois conectores para alimentação da placa no caso desta não receber a alimentação por USB. Esta placa, na verdade, são duas placas separadas, à esquerda temos uma placa com um microcontrolador, e à direita o MAX35103. O que faz a ponte entre as duas placas é um interruptor do tipo DIP (Dual In-line Package) para comunicação lógica, e dois jumpers para alimentação. Na imagem seguinte, disponibilizada no datasheet do fabricante, podemos ver essas características [14]. Figura 14 - Placa de desenvolvimento MAX35103. 22 Figura 15 - Diagrama de funcionamento geral da placa de desenvolvimento MAX35103 EVALUATION KIT. A placa de desenvolvimento é disponibilizada com uma aplicação para executar num computador e assim poder comunicar com o MAX35103. Na aplicação é possível configurar todos os registos do integrado de forma simples e intuitiva e através de uma janela de texto é possível ver todos os opcodes enviados para a placa. Em baixo podemos ver o aspeto do software na Figura 16. Figura 16 - Interface do software da placa de desenvolvimento. 23 4.4 Desenvolvimento do primeiro protótipo Depois de analisar o funcionamento dos transdutores com recurso ao gerador de sinais e osciloscópio, e posteriormente com a placa de desenvolvimento, foi feita uma estrutura capaz de armazenar a eletrónica no seu interior e orientar os transdutores de ultrassons para uma superfície refletora que fará parte da própria estrutura. Figura 17 - Estrutura do primeiro protótipo. Após construir esta estrutura foi necessário modelar um suporte para os transdutores. Este suporte deveria ser minimalista para não perturbar a passagem do fluído e garantir que os transdutores estão à distância pretendida bem como com o ângulo correto. 24 Antes do suporte ser fixado à estrutura, foram feitos testes do seu desempenho com a placa de desenvolvimento. Demonstrados na Figura 18. Este suporte permitia fazer variar a distância dos transdutores à placa de reflexão, distância essa que se revelou bastante sensível para a obtenção de leituras consistentes. Para realizar essas leituras foi utilizada a placa de desenvolvimento em comunicação com um Arduíno Mini, que comunica com o PC (Personal Computer) através de um driver FTDI (Future Technology Devices International) como mostra a Figura 19. Figura 18 - Testes de reflexão acústica aos suportes dos transdutores. Figura 19 - Visão geral da eletrónica a utilizar no primeiro protótipo. 25 Com uma estrutura estanque capaz de armazenar a eletrónica no seu interior sem que esta entre em contacto com a água, um suporte de transdutores que garante consistência na posição dos transdutores e a eletrónica necessária para medir tempos de voo, procedeu-se à montagem do primeiro protótipo visível na Figura 20. Figura 20 - Protótipo pronto para testes de submersão. Com este protótipo foi possível realizar testes de leitura apenas numa direção devido ao facto de neste não existir nenhum circuito de comutação entre pares de transdutores, só admitindo um par. Nestes testes foi possível identificar problemas na medição da velocidade por erros nos tempos de propagação medidos. Este erro era provocado por um erro múltiplo de 1µs nas medições do tempo de voo, que estaria relacionado com a deteção da primeira onda acústica recebida e foi posteriormente corrigido por software . Para além disso foi possível ver a diferença entre os tempos de voo absolutos reportados pelo MAX35103 e os tempos analisados com o osciloscópio nos transdutores. Tendo sido identificado um atraso na deteção dos pulos de cerca de 8µs e que será compensado na fórmula do cálculo do tempo de voo. Na Figura 21 vemos os sinais dos transdutores 26 numa escala temporal de 10 µs. O sinal a amarelo (em cima), representa o sinal no emissor e o sinal a azul (em baixo) representa o sinal no recetor. Na Figura 22 é possível ver os testes realizados em laboratório utilizando um tanque e uma turbina capaz de gerar fluxos de corrente pulsada no volume de medição do primeiro protótipo do sensor. Figura 22 - Testes em tanque no laboratório do primeiro protótipo. Figura 21 - Sinais elétricos nos transdutores. Emissor em cima e recetor em baixo. 27 Desta forma foi possível testar a ocorrência de erros na medição dos tempos de voo, frequência máxima de aquisição de leituras de velocidade e testar a aplicação de filtros ao sinal adquirido. 4.5 Desenvolvimento do segundo protótipo Devido ao peso e dimensões do primeiro protótipo, foi necessário desenhar uma nova estrutura. Esta nova estrutura foi desenhada de forma a ser impressa em impressora 3D à semelhança dos suportes dos transdutores desenvolvidos para o primeiro protótipo. Porém, a tecnologia de impressão FDM (Fused Filament Fabrication) deixa porosidades no material depositado o que obriga à realização de um tratamento superficial com epóxi para evitar infiltração de água. Depois de montada, a estrutura apresentava o aspeto da Figura 23. A caixa azul é onde é colocada a eletrónica, possuindo uma flange exterior para ser possível o acesso ao interior. É possível ver os 4 varões roscados que permitem variar a distância da placa de reflexão dos transdutores posicionados na parte inferior da eletrónica (visíveis na Figura 9). Figura 23 - Estrutura do segundo protótipo. 28 Como um dos requisitos era poder aceder à eletrónica para eventuais alterações, torna-se necessário produzir uma junta para colocar na flange que encapsula a eletrónica no seu interior. A junta foi produzida com silicone de dois componentes e utilizando um molde produzido na impressora 3D. Realizado um teste de estanquicidade a cerca de 2m de profundidade, apesar do cuidado em cobrir a superfície das peças impressas com resina epóxi, a caixa não se revelou suficientemente eficiente o que nos levou a uma segunda iteração do protótipo corrigindo os erros da primeira versão. Um dos pontos fracos da primeira estrutura é o facto de a peça ser oca, o que permite que a água se propague pelo seu interior até que encontre outro ponto de passagem para o interior da caixa. No interior da caixa existem pontos de fixação para a eletrónica que revelaram ser pontos de infiltração de água. Nesta última versão foi decidido que a impressão serviria essencialmente como um molde que seria preenchido por epóxi e assim diminuir a hipótese de infiltrações. O desenho 3D da peça manteve-se muito semelhante ao anterior, mas as configurações de impressão permitiram criar uma peça oca e sem topo o que permitiria baixar os tempos de impressão e obter uma peça com as características desejadas. Figura 24 - Junta de silicone. 29 Depois de impressa, a peça foi colada a uma placa de acrílico e o seu interior preenchido de epóxi. Na Figura 25 é possível ver esse processo. Na Figura 26 é apresentado o segundo protótipo finalizado, já com a eletrónica no seu interior. Figura 25 - Produção da caixa estanque do último protótipo. Figura 26 - Protótipo final do sensor de correntes maritimas. 36 4.7 Desenvolvimento do Software Para o desenvolvimento de software, torna-se imperativo ter o hardware definido e as ligações bem estabelecidas. No momento inicial de desenvolvimento de software foi utilizada a placa de testes, sendo feito um bypass do microcontrolador existente na placa para o Arduino onde iremos desenvolver uma biblioteca para o MAX35103. Como este circuito integrado foi anteriormente utilizado com o microcontrolador da placa de desenvolvimento, bem como com o software de configuração no PC, este deverá manter as configurações anteriormente definidas a cada reset, simplificando assim os primeiros passos de desenvolvimento de software. O primeiro objetivo a alcançar nesta fase de desenvolvimento, foi o estabelecimento da comunicação entre o MAX35103 e o Arduíno. Tratando-se de uma comunicação SPI, esta pode estabelecer-se de diferentes formas. No caso do MAX35103 a comunicação SPI, segundo o datasheet (página 23) deverá ter as seguintes características: O SCK, que é gerado pelo microcontrolador, só está ativo quando CE está a 0 e durante a transferência de dados ou de um opcode no barramento SPI. A polaridade da inatividade do relógio ocorre com nível lógico baixo. DIN é guardado na descida do sinal SCK. Há um ciclo de relógio para cada bit transferido. Bits de opcode são transferidos em grupos de 8, com o bit mais significativo primeiro. Bits de dados são transferidos em grupos de 16, sendo o bit mais significativo enviado primeiro. A Figura 34 ilustra o diagrama temporal da comunicação SPI. Figura 33 - Ligações da placa de desenvolvimento ao Arduino. 37 Utilizando a biblioteca nativa do Arduino IDE é possível configurar a comunicação SPI em apenas uma linha de código: SPI.beginTransaction(SPISettings(4000000, MSBFIRST, SPI_MODE1)); O primeiro parâmetro define a frequência de relógio para a comunicação, sendo 4MHz, o segundo define a ordem dos bits na comunicação, o bit mais significativo primeiro e finalmente, SPI_MODE1, define a polaridade do relógio como CPOL= 0 e a sua fase como CPHA= 1, os dados são colocados na saída na transição positiva e a aquisição de dados na entrada na transição descendente. Depois de configurada a comunicação SPI importa agora enviar códigos de operação para o periférico. Sendo que o objetivo é obter os tempos de voo entre os dois transdutores em ambos os sentidos, o código de 8 bits a ser enviado é 02h, que corresponde à medição de tempo de voo diferencial (TOF_Diff). Segundo o datasheet , ao concluir a rotina de medição dos tempos de vôo, o pino INT passa para o nível lógico 0, só depois de verificar que essa condição é cumprida é que poderemos ler os registos que expressam os tempos de voo nos dois sentidos. Na verdade não podemos avançar diretamente para essa leitura pois não temos garantias de que a rotina de leitura tenha sido concluída com sucesso, por isso, antes deveremos ler o registo de estado de interrupções. Para o fazer, deveremos enviar o código de operação FEh e receber um valor de 16 bits. Este registo de 16 bit sinaliza a razão pela qual o pino de interrupção foi ativado e é limpo automaticamente após a sua leitura. Na Tabela 3 podemos ver o significado de cada bit ativo nesse registo. Figura 34 - Diagrama temporal de comunicação SPI. 38 Tabela 3 - Registo de estado de interrupções do MAX35103.  TO: indica que o tempo para leitura expirou ( timout );  AF: indica ativação pelo alarme do relógio de tempo real;  X: não utilizado;  TOF: indica que a medição de tempo de voo foi concluída com sucesso;  TE: indica que a medição de temperatura foi concluída com sucesso;  LDO: indica que o LDO externo para alimentação da memória flash estabilizou e é possível iniciar leituras;  TOF_EVTMG: Indica que o EVTMG1 e EVTMG2 concluíram a medição de tempo de vôo com sucesso;  TEMP_EVTMG: Indica que o EVTMG1 e EVTMG3 concluíram a medição de temperatura com sucesso;  FLASH: Indica que a comunicação SPI pode ser novamente estabelecida após conclusão de operação na memória flash;  CAL: Indica que finalizou a rotina de calibração quando expressamente definido pelo microcontrolador;  HALT: indica que o comado HALT foi definido;  CSWI: indica que o pino CSW do dispositivo foi colocado ao nível lógico positivo;  INIT: indica que a rotina de inicialização do dispositivo foi concluída com sucesso;  POR: indica que o dispositivo foi inicializado com sucesso após aplicação de VCC. Após garantir que o bit 12 (TOF) foi ativo e a interrupção não ocorreu por expirar o tempo máximo para executar a rotina, poder-se-á proceder à leitura dos registos que armazenam os valores de tempo de voo. A diferença de tempo de voo é armazenada em dois registos, sendo eles o E2h para TOF_DIFFInt e o E3h para TOF_DIFFFrac. TOF_DIFFInt representa o numero de períodos 39 ocorridos no cristal de 4MHz sendo que no máximo toma o valor de 7FFFh ou (215 – 1) x t4MHz e o valor mínimo de 8000h ou -215 x t4MHz. O tempo no registo TOF_DIFFFrac representa a parte fracionária do numero, sendo que o período do cristal de 4MHz é dividido pela resolução de 16 bit sendo o valor máximo da fração FFFFh ou (216 - 1)/216 x t4MHz. A Tabela 4 presente no datasheet dá alguns exemplos de conversões. Tabela 4 - Tabela de conversão de valores. Para o cálculo da velocidade não é suficiente saber a diferença do tempo de voo, necessitamos de aceder a cada um dos registos (upstream e downstream). No caso da conversão do tempo de voo downstream a fórmula é a seguinte: DOWN_TOF = ((double) DOWNInt * 250 + (double) DOWNFrac * 0.0038) - 8000; Podemos ver na fórmula acima que é subtraído 8000 ao tempo de voo medido, isso deve-se ao facto dos tempos de voo medidos pelo dispositivo (MAX35103) não serem absolutos e terem de ser compensados por software . A forma como se chegou a este valor é explicada no capítulo 4.4 nos testes realizados ao primeiro protótipo. Devido a erros de leitura de tempos na ordem do período da frequência fundamental dos transdutores, foi necessário fazer uma deteção e correção desse tipo de erros para que não adulterasse os tempos de voo medidos e não fosse necessário executar nova rotina de leitura. 40 Com os valores de tempo de voo em ambos os sentidos podemos proceder ao cálculo da velocidade da água nesse sentido. A fórmula utilizada é explicada em maior detalhe no capítulo 3.4 que explica o funcionamento acústico do sensor, aqui podemos ver como foi utilizada ao nível do software. Velocity = 230 * ((1000000000 / getDOWN_TOF() ) - (1000000000 / getUP_TOF())) ; As funções getDOWN_TOF() e getUP_TOF() retornam o valor de tempo de voo, em nanosegundos, em ambos os sentidos, por isso, o numerador na fração está multiplicado por 109. Desta forma estava desenvolvido o código capaz de medir a velocidade da água num sentido. De uma forma geral o fluxograma que descreve o funcionamento do código capaz de executar esta função é o seguinte: Este foi o Software que se usou no primeiro protótipo em que apenas tínhamos dois transdutores de ultrassom e onde foi utilizada a placa de desenvolvimento com as configurações précarregadas pelo software disponibilizado com a placa. Figura 35 - Fluxograma de medição de velocidade com base no tempo de voo. 41 Para um segundo protótipo, em que já tínhamos desenvolvido uma placa com dois pares de transdutores, cartão de memória, RTC e IMU, o fluxograma era o seguinte: Para medir a velocidade do fluido a duas dimensões é necessário fazer duas leituras de velocidade consecutivas comutando o par de transdutores correspondente a cada um dos eixos. Para fazer essa comutação é usado o pino 5 do Arduino que está conectado aos dois switches na placa de circuito impressa desenvolvida. No código a função que faz essa comutação é a função setVector(bool) e é chamada antes de executar um ciclo de medição de velocidade. setVector(LOW);//definir sentido Este/Oeste velocidadeEO = getVelocity();//Medir a velocidade no eixo Este/Oeste setVector(HIGH);//definir sentido Norte/Sul velocidadeNS = getVelocity();//Medir a velocidade no eixo Norte/Sul Figura 36 - Fluxograma geral do software. 42 Após ter os dados relativos à velocidade nos dois eixos podemos aplicar duas fórmulas para obter a velocidade a duas dimensões na forma polar atribuindo uma norma e uma fase ao vetor velocidade. No código, as fórmulas forma aplicadas da seguinte forma. //Cálculo do módulo da velocidade pPolarCordinates[0]=sqrt((velocidadeEO*velocidadeEO)+(velocidadeNS*velocidadeNS)); //Cálculo da fase da velocidade pPolarCordinates[1] = atan2 (velocidadeNS,velocidadeEO); O fluxograma que descreve o funcionamento do código supracitado pode ser descrito da seguinte forma: Figura 37 - Fluxograma de medição de velocidade a duas. dimensões 43 5. Testes e Resultados Neste capítulo são apresentados os resultados de desempenho do segundo protótipo aos testes realizados. Estes testes foram realizados no laboratório em plataformas especialmente desenvolvidas para o efeito e também em ferramentas de simulação de elementos finitos. Não foram realizados testes em ambiente real. 5.1 Desenvolvimento de plataforma de testes Para que fosse possível analisar o desempenho do sensor, foi desenvolvida uma plataforma de testes. Esta plataforma pretende simular a passagem da água pelo sensor ao movimentar o sensor pela água a uma velocidade conhecida. Tal sistema consiste numa carruagem, à qual é possível fixar o sensor, que se movimenta sobre um perfil quadrangular utilizando uns rolamentos, semelhante ao que podemos ver Figura 38. Figura 38 - Carruagem da plataforma de testes. 44 Sendo que o objetivo é movimentar a carruagem a uma velocidade conhecida, foi utilizada uma placa controladora de CNC (Computer Numerical Control) e um motor NEMA 17 (National Electrical Manufacturers Association) acoplado à carruagem para movimentar o sensor dentro de água. A placa CNC tem um microcontrolador Arduino carregado com o firmware GRBL que receberá código G genérico para simular a velocidade do fluido. Devido à simplicidade da carruagem, existe algum movimento no eixo perpendicular ao movimento pretendido que influenciará os resultados, mas para prova de conceito, não se considerou aumentar a complexidade do sistema para eliminar esse movimento. Figura 39 - Visão geral da plataforma de testes. 45 5.2 Testes no tanque Para proceder aos testes no tanque, o sensor e a plataforma de testes foram conectados a um PC como é possível ver na Figura 40. Durante os testes o sensor foi colocado na diagonal de forma a testar o desempenho da leitura em dois eixos sob as mesmas condições. Cada teste foi executado sempre que a água estabilizou e a leitura de velocidade do sensor se aproximou de 0 m/s. A cada teste, o sensor deslocou-se 830 mm e variou-se a velocidade de deslocamento. Os códigos G utilizados foram o G91 para definir o sistema posicional como relativo, o G1 para definir o movimento como linear e o F para definir o feed rate da máquina CNC e consequentemente a velocidade a que foi testado o sensor. Para testar o sensor numa corrente de 100 mm/s as linhas de código G deverão ser: F6000; G91 G1 X830; A função F define-se em mm/min e por essa rasão deverá ser multiplicada por 60. Figura 40 - Execução dos testes. 52 cálculos foi considerado um fator de 0,7 para fatores externos que afetam a capacidade da bateria e/ou o consumo energético do sistema. 6.2 Trabalho Futuro Apesar de provada a viabilidade da utilização deste sensor para medir a velocidade da água que por este passa, as condições em ambiente marinho ou fluvial apresentam várias exigências. Não foi possível verificar a influência da acumulação vegetativa no sensor nos períodos de teste em ambiente real, sendo necessário submeter o sensor a períodos de teste mais extenso. Para o fazer deverá ser utilizada uma 3ª placa protótipo em que o sistema de alimentação periódica estará integrado nessa mesma placa fazendo com que o sistema seja capaz de funcionar de forma totalmente independente, recorrendo ao uso de uma bateria como alimentação, e armazenando os dados num cartão de memória. Ao contrário do último protótipo não será possível comunicar em tempo real por cabo para efetuar a recolha de dados ou carregar novo software . Algo que ficou por desenvolver, e as condições marinhas assim o exigem, é a correção dos valores de velocidade do fluido por oscilação da estrutura dentro de água. Tendo sido contemplado nos requisitos do sistema, foi considerada a utilização de um IMU para fazer tal correção, no entanto não foi desenvolvido código capaz de fazer correção por movimento de inercia, sendo apenas utilizado o magnetómetro para aferir a orientação do sensor em relação ao norte geográfico. 53 7. Bibliografia [1] C. Swanson and H. 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