Sensores ultrassônicos de baixo custo para coleta de dados em experimentação a campo

Theodoro, Fagner Lopes; Sanches, Arthur Carniato; Cruz, Thiago Alberto Cabral da; Santos, Rodrigo Couto; Flumignan, Danilton Luiz; Jesus, Fernanda Lamede Ferreira de

RESUMO

O monitoramento do escoamento superficial é crucial na gestão sustentável dos recursos hídricos globais. Obter um método prático e econômico para coletar dados de campo pode ajudar a entender melhor o escoamento superficial e seus efeitos, necessários para a gestão das bacias hidrográficas. Este trabalho buscou elaborar calibração de um sensor ultrassônico devido à variabilidade da temperatura, verificando a imprecisão da distância dos objetos com o sensor, determinando a viabilidade do uso dos sensores de baixo custo em experimento “in loco”, instalados em calhas Parshall. O experimento foi realizado em área da Fazenda Experimental da Universidade Federal da Grande Dourados, Dourados/MS. Os dados foram coletados por doze sensores de distância ultrassônicos HC-SR04, que foram acoplados a um sistema de aquisição de dados composto por uma placa de expansão conectada a um minicomputador Raspberry. A calibração pela temperatura resultou na correção do erro de ± 8,0 mm da leitura de distância. Já, o R² das curvas de comparação entre sensor e sistema de controle (trena laser e régua instalada nas calhas) resultaram em altos valores de coeficientes de determinação, acima de 0,95, mostrando a viabilidade do seu uso e atendendo as especificações para uso em condições de campo sujeito as intempéries climáticas. Este estudo demonstra o desempenho dos sensores ultrassônicos como possível potencial de nova tecnologia para avaliar escoamento superficial no intuito de propor novos coeficientes de escoamento.

Termos para indexação:
Calibração; HC-SR04; calha Parshall; vazão; escoamento superficial.

[1] ^*Corresponding author: fagner.theodoro@ifms.edu.br

Component	Item	Quantity	Unit cost (US$)*	Total (US$)
Per flume	HC-SR04 ultrasonic sensor	1	2.22
	Parshall flume	1	10.00
	Coaxial cable	1	15.22
	Installation	1	10.00	37.44
Support equipment	HTU21D humidity and temperature sensor	1	4.15
	Raspberry Pi Model 3	1	61.54
	SD card (16 Gb)	1	8.00
	Expansion board	1	50.00
	Battery for a mid-range vehicle 60AH (12V)	1	65.23
	Solar panel (100W) - existing from another project	1	50.62
	TR-525M rain gauge	1	485.15	724.69
Total of the experiment	HC-SR04 ultrasonic sensor	13	2.22
	Parshall flume	12	10.00
	Coaxial cable	12	15.22
	Installation	12	10.00
	HTU21D humidity and temperature sensor	1	4.15
	Raspberry Pi Model 3	1	61.54
	SD card (16 Gb)	1	8.00
	Expansion board	1	50.00
	Battery (12V)	1	65.23
	Solar panel (100W) - existing from another project	1	50.62
	TR-525M rain gauge	1	485.15	1,176.19
	Cost per flume			98.02

Value	Distance (d)	Calibrated distance (dT)	Error (%) - 100(dT-d)/dT
Minimum	40.01	41.01	−2.44
1st quartile	40.81	41.32	−1.23
Median	41.28	41.47	−0.46
3rd quartile	41.68	41.64	0.10
Maximum	43.21	41.98	2.93
Range	3.2	0.97	229.90
Mean	41.28	41.48	−0.48
Standard deviation	0.5902	0.2127	177.48
Standard error of the mean	0.008083	0.002913	177.48
Coefficient of variation	1.43%	0.51%	179.11

Sensor		Minimum	Median	Maximum	Range	Mean	Standard deviation	CV
S01	d	27.75	28.92	30.3	2.55	28.86	0.4551	1.58%
	dT	28.52	29.02	29.53	1.01	29.06	0.1846	0.64%
	error 100(d-dT/dT)	−2.7%	−0.3%	2.6%	152.5%	−0.7%	146.5%	148.3%
S02	d	28.02	29.17	30.29	2.27	29.15	0.3756	1.29%
	dT	28.58	29.06	29.61	1.03	29.06	0.2007	0.69%
	error 100(d-dT/dT)	−2.0%	0.4%	2.3%	120.4%	0.3%	87.1%	86.5%
S03	d	27.9	28.72	30.05	2.15	28.71	0.3966	1.38%
	dT	28.25	28.71	29.35	1.1	28.72	0.196	0.68%
	error 100(d-dT/dT)	−1.2%	0.0%	2.4%	95.5%	0.0%	102.3%	102.4%
S04	d	27.19	28.68	29.87	2.68	28.65	0.4397	1.54%
	dT	28.25	28.83	29.19	0.94	28.85	0.13	0.45%
	error 100(d-dT/dT)	−3.8%	−0.5%	2.3%	185.1%	−0.7%	238.2%	240.7%
S05	d	27.43	28.77	30.23	2.8	28.77	0.4764	1.66%
	dT	28.62	29.08	29.55	0.93	29.06	0.1869	0.64%
	error 100(d-dT/dT)	−4.2%	−1.1%	2.3%	201.1%	−1.0%	154.9%	157.6%
S06	d	28.68	29.55	30.45	1.77	29.55	0.3223	1.09%
	dT	28.46	28.92	29.56	1.1	28.97	0.2867	0.99%
	error 100(d-dT/dT)	0.8%	2.2%	3.0%	60.9%	2.0%	12.4%	10.2%
S07	d	27.8	28.86	29.86	2.06	28.81	0.422	1.47%
	dT	28.94	29.32	29.77	0.83	29.34	0.1695	0.58%
	error 100(d-dT/dT)	−3.9%	−1.6%	0.3%	148.2%	−1.8%	149.0%	153.6%
S08	d	26.93	28.8	30.27	3.34	28.79	0.5359	1.86%
	dT	28.47	29.19	29.51	1.04	29.15	0.2274	0.78%
	error 100(d-dT/dT)	−5.4%	−1.3%	2.6%	221.2%	−1.2%	135.7%	138.7%
S09	d	27.1	28.45	29.85	2.75	28.41	0.4478	1.58%
	dT	28.13	28.5	29.07	0.94	28.54	0.1544	0.54%
	error 100(d-dT/dT)	−3.7%	−0.2%	2.7%	192.6%	−0.5%	190.0%	191.4%
S10	d	27.92	29.17	30.46	2.54	29.12	0.4073	1.40%
	dT	28.58	29.18	29.81	1.23	29.2	0.175	0.60%
	error 100(d-dT/dT)	−2.3%	0.0%	2.2%	106.5%	−0.3%	132.7%	133.4%
S11	d	28.32	29.06	30.01	1.69	29.07	0.2983	1.03%
	dT	28.8	29.12	29.69	0.89	29.16	0.2125	0.73%
	error 100(d-dT/dT)	−1.7%	−0.2%	1.1%	89.9%	−0.3%	40.4%	40.8%
S12	d	27.78	28.67	29.62	1.84	28.66	0.4021	1.40%
	dT	28.14	28.73	29.16	1.02	28.7	0.2092	0.73%
	error 100(d-dT/dT)	−1.3%	−0.2%	1.6%	80.4%	−0.1%	92.2%	92.5%

Sensor	Installed H	MEAN	SD	ME	MAE	RMSE
Reference sensor (13)	41.45	41.44	0.17	0.14	0.16	0.18
Sensor 1	29.05	29.06	0.18	−0.11	0.19	0.24
Sensor 2	29.05	29.06	0.20	0.21	0.26	0.29
Sensor 3	28.70	28.72	0.20	−0.19	0.25	0.29
Sensor 4	28.85	28.85	0.13	0.06	0.13	0.18
Sensor 5	29.05	29.06	0.19	0.06	0.13	0.16
Sensor 6	29.00	28.97	0.29	−0.21	0.24	0.28
Sensor 7	29.35	29.34	0.17	0.01	0.14	0.18
Sensor 8	29.15	29.15	0.23	0.17	0.27	0.32
Sensor 9	28.55	28.54	0.15	0.05	0.19	0.22
Sensor 10	29.20	29.20	0.18	−0.15	0.20	0.26
Sensor 11	29.15	29.16	0.21	−0.16	0.21	0.25
Sensor 12	28.70	28.70	0.21	0.01	0.18	0.24

Value	Laser distance meter (LM)	Calibrated sensor (dT)	Error (%) - 100(dT−LM)/dT
Minimum	10.73	10.68	−0.47
1st quartile	16.15	16.13	−0.12
Median	17.8	17.83	0.17
3rd quartile	23.5	23.55	0.21
Maximum	29.4	29.54	0.47
Range	18.67	18.86	1.01
Mean	19.77	19.78	0.05
Standard deviation	5.878	5.875	−0.05
Standard error of the mean	0.09154	0.09148	−0.07
Coefficient of variation	29.73%	29.69%	−0.13

Brasil

Brasil

Sensores ultrassônicos de baixo custo para coleta de dados em experimentação a campo

RESUMO

Sensor	ME	MAE	RMSE	r	R²
In the laboratory	−0.003	0.053	0.055	0.99	0.99
Sensor 5	−0.101	0.229	0.276	0.97	0.99
Sensor 6	0.148	0.163	0.176	0.99	0.99
Sensor 7	−0.059	0.157	0.206	0.97	0.99
Sensor 9	0.044	0.130	0.155	0.99	0.99