RESUMEN
This research introduces the development of an electronic flowmeter based on the drag force that a body experiences when immersed in a fluid stream. Its main goal was the development of an Electronic Drag Force Flowmeter (EDFF) using a load cell, as well as the evaluation of its performance parameters. The developed flowmeter should not require specialized labor, equipments, computers or any sophisticated and complex method, providing an easy and accurate way of flow estimation. This research was carried out in the following stages: (i) EDFF mechanical structure development; (ii) data acquisition system and embedded software design; and (iii) evaluation of EDFF performance parameters. EDFF has routines for instantaneous flow rate measurement, interactive calibration, and also several flow meter parameter adjustments, allowing data transmission via a RS232 protocol. The real-time flow measurement task updates values of instantaneous flow rate each seven seconds, enabling unit selection. The interactive calibration routine guides users during all calibration process showing instructions on EDFF's display. A data digital filtering procedure was implemented in an embedded software using the Grubbs' Test in order to identify and to remove outliers from the acquired data. The Method of Least Squares was also implemented in the embedded software in order to calculate the fitting model coefficients on the calibration procedure. This flowmeter is able to work from 1.94 to 7.78 dm³ s-1 with an uncertainty of ± 5.7%. The coefficient of local head loss (K) was close to 0.55 for Reynolds number values higher than 10(5). The developed EDFF is a low-cost and stand-alone system with potential for agricultural applications.
Este estudo apresenta o desenvolvimento de um medidor de vazão baseado na força de arraste que atua em um corpo imerso em uma corrente líquida. O principal objetivo foi o desenvolvimento de um Medidor de Vazão Eletrônico tipo Força (MVEF) utilizando célula de carga, bem como a avaliação do desempenho do equipamento. Esta pesquisa foi executada nas seguintes etapas: (i) desenvolvimento da estrutura mecânica do MVEF; (ii) desenvolvimento do sistema de aquisição de dados e do software embarcado; e (iii) avaliação dos parâmetros de desempenho do MVEF. O medidor de vazão desenvolvido possibilita a transmissão de dados via serial (RS-232) e possui rotinas para medição de vazão instantânea, calibração interativa e opções para ajuste de alguns parâmetros de funcionamento. O Teste de Grubbs foi utilizado no software embarcado com a finalidade de identificar e remover dados inconsistentes do conjunto amostral, sendo, portanto, um procedimento de filtragem digital de dados. A rotina de calibração do medidor de vazão consta de um algoritmo que utiliza o Método dos Mínimos Quadrados para determinação dos coeficientes de ajuste do modelo adotado. O medidor de vazão desenvolvido opera na faixa de 1,94 a 7,78 dm³ s-1 com incerteza de ± 5,7%. O coeficiente de perda de carga localizada característico do medidor de vazão foi de aproximadamente 0,55 para condições com Número de Reynolds superior a 10(5). O medidor de vazão desenvolvido apresenta baixo custo, sendo viável para utilização em aplicações agrícolas.
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This research introduces the development of an electronic flowmeter based on the drag force that a body experiences when immersed in a fluid stream. Its main goal was the development of an Electronic Drag Force Flowmeter (EDFF) using a load cell, as well as the evaluation of its performance parameters. The developed flowmeter should not require specialized labor, equipments, computers or any sophisticated and complex method, providing an easy and accurate way of flow estimation. This research was carried out in the following stages: (i) EDFF mechanical structure development; (ii) data acquisition system and embedded software design; and (iii) evaluation of EDFF performance parameters. EDFF has routines for instantaneous flow rate measurement, interactive calibration, and also several flow meter parameter adjustments, allowing data transmission via a RS232 protocol. The real-time flow measurement task updates values of instantaneous flow rate each seven seconds, enabling unit selection. The interactive calibration routine guides users during all calibration process showing instructions on EDFF's display. A data digital filtering procedure was implemented in an embedded software using the Grubbs' Test in order to identify and to remove outliers from the acquired data. The Method of Least Squares was also implemented in the embedded software in order to calculate the fitting model coefficients on the calibration procedure. This flowmeter is able to work from 1.94 to 7.78 dm³ s-1 with an uncertainty of ± 5.7%. The coefficient of local head loss (K) was close to 0.55 for Reynolds number values higher than 10(5). The developed EDFF is a low-cost and stand-alone system with potential for agricultural applications.
Este estudo apresenta o desenvolvimento de um medidor de vazão baseado na força de arraste que atua em um corpo imerso em uma corrente líquida. O principal objetivo foi o desenvolvimento de um Medidor de Vazão Eletrônico tipo Força (MVEF) utilizando célula de carga, bem como a avaliação do desempenho do equipamento. Esta pesquisa foi executada nas seguintes etapas: (i) desenvolvimento da estrutura mecânica do MVEF; (ii) desenvolvimento do sistema de aquisição de dados e do software embarcado; e (iii) avaliação dos parâmetros de desempenho do MVEF. O medidor de vazão desenvolvido possibilita a transmissão de dados via serial (RS-232) e possui rotinas para medição de vazão instantânea, calibração interativa e opções para ajuste de alguns parâmetros de funcionamento. O Teste de Grubbs foi utilizado no software embarcado com a finalidade de identificar e remover dados inconsistentes do conjunto amostral, sendo, portanto, um procedimento de filtragem digital de dados. A rotina de calibração do medidor de vazão consta de um algoritmo que utiliza o Método dos Mínimos Quadrados para determinação dos coeficientes de ajuste do modelo adotado. O medidor de vazão desenvolvido opera na faixa de 1,94 a 7,78 dm³ s-1 com incerteza de ± 5,7%. O coeficiente de perda de carga localizada característico do medidor de vazão foi de aproximadamente 0,55 para condições com Número de Reynolds superior a 10(5). O medidor de vazão desenvolvido apresenta baixo custo, sendo viável para utilização em aplicações agrícolas.
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No Estado do Rio Grande do Sul, a utilização crescente de sistemas de irrigação vem tornando cada vez mais importante a reservação de água através de barragens. Neste caso, é essencial a determinação do volume de água disponível nessas estruturas para o adequado planejamento dos sistemas irrigados e outorga para o uso da água. Atualmente, a determinação do volume é pouco frequente porque o método direto (batimetria) caracteriza-se por ser oneroso, além de exigir mão-de-obra especializada e tempo disponível. Diante do exposto, este trabalho teve por objetivo avaliar um modelo matemático para a determinação do volume de água armazenado em reservatórios de irrigação. O modelo matemático escolhido foi representado pela fórmula de Schoklisch, em que o volume de água de um reservatório é dado pelo produto da área e profundidade máxima em nível normal e o parâmetro de Schoklisch (η). Foi feita a análise do parâmetro η a partir dos dados fornecidos por 210 reservatórios com finalidade de irrigação, localizados na região da Campanha do Estado do Rio Grande do Sul. Através dos resultados, pode-se observar que o valor do coeficiente de Schoklisch (η) variou entre 0,47 e 0,53, apresentando um valor médio de 0,50 e desvio padrão de 0,05, considerando-se os municípios em conjunto. Observou-se, ainda, que todos os locais estudados enquadraram-se na classe de desempenho ótimo. Os coeficientes de determinação encontrados para as regiões de estudo foram superiores a 0,99. A relação entre o volume estimado e o volume observado em reservatórios demonstra o alto grau de correlação entre os valores testados e permite a recomendação do uso do modelo de Schoklisch para a determinação do volume de água armazenado em reservatórios de irrigação nas localidades em estudo.
In the Rio Grande do Sul state, the irrigation systems for growing use contributes to make the water reserves through barrages more important. In this case, it is essential to determine the volume of water available in these structures for the appropriate projection of the irrigated systems and concessions for water usage.Currently, the determination of the volume is not much frequent because the direct method (bathymetry) is characterizes as onerous and besides demands specialized workforce and available time. Thus, this research had the objective to evaluate a mathematical model to determine the volume of water stored in irrigation reservoirs The mathematical model chose was represented by Schoklisch formula, where the volume of water of a reservoir is given by the product of the area and the maximum depth in normal level and the Schoklisch parameter (η). The analysis of the parameter η was based on the data provided by 210 reservoirs destined to irrigation, located in the Campanha of Rio Grande do Sul state. Through the results it is possible to notice that the Schoklisch (η) coefficient value varied between 0.47 and 0.53, presenting a average value of 0.50 and standard deviation of 0.05 considering the localities altogether. It was also observed, that all localities studied fitted in the class of optimum performance. The coefficients of determination found for the studied regions were superior to 0.99. The relation between the expected volume and the observed volume in reservoirs demonstrates the high degree of correlation between the tested values and allows the recommendation of the Schoklisch model for the determination of the volume of water stored in irrigation reservoirs in the localities studied.
RESUMEN
In the Rio Grande do Sul state, the irrigation systems for growing use contributes to make the water reserves through barrages more important. In this case, it is essential to determine the volume of water available in these structures for the appropriate projection of the irrigated systems and concessions for water usage.Currently, the determination of the volume is not much frequent because the direct method (bathymetry) is characterizes as onerous and besides demands specialized workforce and available time. Thus, this research had the objective to evaluate a mathematical model to determine the volume of water stored in irrigation reservoirs The mathematical model chose was represented by Schoklisch formula, where the volume of water of a reservoir is given by the product of the area and the maximum depth in normal level and the Schoklisch parameter (). The analysis of the parameter was based on the data provided by 210 reservoirs destined to irrigation, located in the Campanha of Rio Grande do Sul state. Through the results it is possible to notice that the Schoklisch () coefficient value varied between 0.47 and 0.53, presenting a average value of 0.50 and standard deviation of 0.05 considering the localities altogether. It was also observed, that all localities studied fitted in the class of optimum performance. The coefficients of determination found for the studied regions were superior to 0.99. The relation between the expected volume and the observed volume in reservoirs demonstrates the high degree of correlation between the tested values and allows the recommendation of the Schoklisch model for the determination of the volume of water stored in irrigation reservoirs in the localities studied.
No Estado do Rio Grande do Sul, a utilização crescente de sistemas de irrigação vem tornando cada vez mais importante a reservação de água através de barragens. Neste caso, é essencial a determinação do volume de água disponível nessas estruturas para o adequado planejamento dos sistemas irrigados e outorga para o uso da água. Atualmente, a determinação do volume é pouco frequente porque o método direto (batimetria) caracteriza-se por ser oneroso, além de exigir mão-de-obra especializada e tempo disponível. Diante do exposto, este trabalho teve por objetivo avaliar um modelo matemático para a determinação do volume de água armazenado em reservatórios de irrigação. O modelo matemático escolhido foi representado pela fórmula de Schoklisch, em que o volume de água de um reservatório é dado pelo produto da área e profundidade máxima em nível normal e o parâmetro de Schoklisch (). Foi feita a análise do parâmetro a partir dos dados fornecidos por 210 reservatórios com finalidade de irrigação, localizados na região da Campanha do Estado do Rio Grande do Sul. Através dos resultados, pode-se observar que o valor do coeficiente de Schoklisch () variou entre 0,47 e 0,53, apresentando um valor médio de 0,50 e desvio padrão de 0,05, considerando-se os municípios em conjunto. Observou-se, ainda, que todos os locais estudados enquadraram-se na classe de desempenho ótimo. Os coeficientes de determinação encontrados para as regiões de estudo foram superiores a 0,99. A relação entre o volume estimado e o volume observado em reservatórios demonstra o alto grau de correlação entre os valores testados e permite a recomendação do uso do modelo de Schoklisch para a determinação do volume de água armazenado em reservatórios de irrigação nas localidades em estudo.
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In the Rio Grande do Sul state, the irrigation systems for growing use contributes to make the water reserves through barrages more important. In this case, it is essential to determine the volume of water available in these structures for the appropriate projection of the irrigated systems and concessions for water usage.Currently, the determination of the volume is not much frequent because the direct method (bathymetry) is characterizes as onerous and besides demands specialized workforce and available time. Thus, this research had the objective to evaluate a mathematical model to determine the volume of water stored in irrigation reservoirs The mathematical model chose was represented by Schoklisch formula, where the volume of water of a reservoir is given by the product of the area and the maximum depth in normal level and the Schoklisch parameter (). The analysis of the parameter was based on the data provided by 210 reservoirs destined to irrigation, located in the Campanha of Rio Grande do Sul state. Through the results it is possible to notice that the Schoklisch () coefficient value varied between 0.47 and 0.53, presenting a average value of 0.50 and standard deviation of 0.05 considering the localities altogether. It was also observed, that all localities studied fitted in the class of optimum performance. The coefficients of determination found for the studied regions were superior to 0.99. The relation between the expected volume and the observed volume in reservoirs demonstrates the high degree of correlation between the tested values and allows the recommendation of the Schoklisch model for the determination of the volume of water stored in irrigation reservoirs in the localities studied.
No Estado do Rio Grande do Sul, a utilização crescente de sistemas de irrigação vem tornando cada vez mais importante a reservação de água através de barragens. Neste caso, é essencial a determinação do volume de água disponível nessas estruturas para o adequado planejamento dos sistemas irrigados e outorga para o uso da água. Atualmente, a determinação do volume é pouco frequente porque o método direto (batimetria) caracteriza-se por ser oneroso, além de exigir mão-de-obra especializada e tempo disponível. Diante do exposto, este trabalho teve por objetivo avaliar um modelo matemático para a determinação do volume de água armazenado em reservatórios de irrigação. O modelo matemático escolhido foi representado pela fórmula de Schoklisch, em que o volume de água de um reservatório é dado pelo produto da área e profundidade máxima em nível normal e o parâmetro de Schoklisch (). Foi feita a análise do parâmetro a partir dos dados fornecidos por 210 reservatórios com finalidade de irrigação, localizados na região da Campanha do Estado do Rio Grande do Sul. Através dos resultados, pode-se observar que o valor do coeficiente de Schoklisch () variou entre 0,47 e 0,53, apresentando um valor médio de 0,50 e desvio padrão de 0,05, considerando-se os municípios em conjunto. Observou-se, ainda, que todos os locais estudados enquadraram-se na classe de desempenho ótimo. Os coeficientes de determinação encontrados para as regiões de estudo foram superiores a 0,99. A relação entre o volume estimado e o volume observado em reservatórios demonstra o alto grau de correlação entre os valores testados e permite a recomendação do uso do modelo de Schoklisch para a determinação do volume de água armazenado em reservatórios de irrigação nas localidades em estudo.