Célio Gonçalves Júnior - Engenheiro Eletricista pela Universidade Federal de Minas Gerais, Bacharelando em Direito pela Universidade Federal de Minas Gerais, Idiomas: Inglês e Espanhol, membro da Automatic Meter Reading Association - AMRA com sede em Northbrook, Illinois , EUA desde 1994, função atual no grupo NANSEN SA Instrumentos de Precisão: consultor em sistemas de medição.

O estudo "Conservação e Racionalização da Utilização de Água, Novas Ferramentas: Registradores e Hidrômetros Eletrônicos" procura apresentar de forma sintética algumas experiências e resultados alcançados com a aplicação desta nova tecnologia de medição, para tanto foram selecionados alguns casos particulares obtidos em conjunto com a empresa SANEPAR e Grupo NANSEN.

INTRODUÇÃO

A conservação e racionalização da utilização de recursos energéticos e hídricos tem se transformado em fator decisivo do sucesso ou não da inserção e manutenção de países na comunidade mundial como forças econômicas.

Os recursos hídricos não podem ser tratados simplesmente como recursos renováveis mas como recursos limitados a sua própria capacidade de regeneração, assim a utilização racional e a sua conservação se tornam fundamentais uma vez que o seu perfil de inesgotabilidade é relativo a capacidade de sua exploração sem contudo deteriorá-los.

OBJETIVOS

Este trabalho tem como objetivo discutir as políticas de racionalização e conservação na utilização da água através das ferramentas disponíveis para implementá-las.

POLITICAS DE RACIONALIZAÇÃO E CONSERVAÇÃO

Dentre as formas de alcançar-se níveis ótimos de racionalização e conservação da utilização da água podemos citar:

• Otimização da acuracidade da medição de água para fins de pesquisa e faturamento através:

• Equalização do valor medido através da curva característica do hidrômetro.
• Fornecimento de medições com inicio de funcionamento em vazões extremamente baixas, ou seja, inferiores a 4 l/h.

• Tarifação Horosazonal - Criação de postos horários de consumo de acordo com o período do ano, controle das vazões máxima e mínima, etc., de forma a criar condições de implementação de rotinas de faturamento mais próximas do regime de fornecimento requerido pelo consumidor e das condições de fornecimento suportáveis pelo provedor, tanto a nível de sua estrutura física (redes de distribuição, captação e tratamento) quanto a nível dos recursos naturais disponíveis.

• Implantação de sistemas de telemedição que permitem, dentre outros serviços, a redução do ciclo de faturamento uma vez que pode-se monitorar remotamente de forma programada ou aleatória os pontos de medição evitando-se assim a necessidade de re-leitura, permitem também a automação da rede de distribuição com corte remoto de consumidores, ramais, etc.

• Controle do Regime de Consumo

• Disponibilização de saídas de pulso para que o consumidor possa implementar rotinas de conservação e otimização da utilização da água, monitorando o seu regime de consumo de forma a adequar-se à tarifação contratada.

• Load Profile - Disponibilização do perfil de consumo de cada cliente com os quais podem ser podem se ser verificados:

• Fator de carga de cada ramal e rede de distribuição como um todo,

• Nível de sazonalidade de cada região e consumidor,

• Contribuição do usuário final no carregamento total de forma setorizada,

• Quantificação de todos os elementos que contribuem para os níveis de carregamento da rede, etc.

Podemos estratifica os resultados das políticas de conservação e racionalização da utilização da água por setores envolvidos:

Concessionárias de Saneamento

• Recuperação de Receita através da:

• Otimização da medições consumidoras e da confrontação da água potável produzida e a efetivamente medida.

• Otimização dos contratos de fornecimento através de sistemas de tarifação horosazonal.

• Racionalização da utilização da água a fim de que sejam evitados investimentos desnecessários em ampliação de infra-estruturas de abastecimento.

• Monitoração on-line de consumo através de interface com a medição da concessionária a fim de que seja possível:

• Implementação de rotinas de controle de carga a fim de garantir-se vazões dentro de valores contratados.

• Detecção de avarias na rede interna de distribuição (vazamentos).

• Implementação de forma fácil e economicamente viável de medições de ramais por centros de custo dentro da empresa.

• Faturamento - Comercial,

• Orçamentos,

• Planejamento de Engenharia,

• Operacionais

Dentre as ferramentas disponíveis para que sejam alcançados os objetivos das políticas de racionalização e otimização da utilização da água podemos citar:

• Campanhas Educacionais,
• Aplicação de novas tecnologias de medição, supervisão e controle,
• Definição e Aplicação de legislação que tornem compulsórias medidas de conservação e otimização da utilização da água.

Dentre as tecnologias de medição de água disponíveis e que atualmente tem mais impactado através de sua introdução no pais são os chamados hidrômetros eletrônicos e registradores eletrônicos. A fim de que possa ser melhor compreendida a sistemática do trabalho ora proposto são descritas a seguir as características da tecnologia adotada.

Figura 1: Hidrômetros Eletrônicos

Woltman Registrador Eletrônico FLYPPER NANSEN/HYDROMETER	Hidrômetro Eletrônico SCAMPY HYDROMETER

 
Os registradores eletrônicos e hidrômetros eletrônicos tem com identificação mais imediata e visível a substituição de elementos mecânicos (relojoaria com engrenagens) por elementos eletrônicos (Display de Cristal Líquido, Porta Óticas de Comunicação, etc.), ver Figura 1. Entretanto podemos ainda diferenciar registradores eletrônicos de hidrômetros eletrônicos como veremos a seguir.

• Registrador Eletrônico é basicamente uma relojoaria onde as engrenagens e cilindros do totalizador foram substituídos por um conjunto eletrônico composto por: microprocessador, bateria, display de cristal líquido, sensores, etc., sendo mantido porem o núcleo da medição que é baseado em turbinas e em câmaras de medição multijato ou unijato. Já o Hidrômetro Eletrônico a nível de relojoaria mantêm as mesmas características dos registradores eletrônicos incorporando porem novos conceitos de medição distintos dos já conhecidos e baseados em princípios tais como acoplamento magnético ou mecânico da turbina à relojoaria.

Turbina Hidrômetro  Velocimétrico Convencional Transmissão magnética  Fluxo do líquido

Rotor do Hidrômetro Eletrônico Entrada Saída Rotor

No Registrador Eletrônico a rotação da turbina é transmitida por acoplamento magnético a sensores do modulo registrador eletrônico. Um microprocessador interno avalia os sinais recebidos reconhecendo a direção de rotação e medindo o tempo requerido por revolução. Alem destes dados o microprocessador calcula os valores de medição e em curtos intervalos de tempo executa rotinas de auto-teste, ver Figura 2.

Com relação ao Hidrômetro Eletrônico podemos citar como um de seus diferenciais a adoção de um principio de medição com padrão distinto dos atualmente empregados na maioria do hidrômetros velocimétricos onde o angulo de ataque do fluxo do líquido é radial ao rotor ao invés de tangencial como ocorre nos hidrômetros velocimétricos convencionais.

A transmissão da informação de vazão nos hidrômetros eletrônicos é feita através da sensibilização de sensores, normalmente em numero de 4, em oposição ao principio de transmissão magnética ou mecânica à relojoaria nos hidrômetros velocimétricos atuais da informação de vazão.

HANDICAP

Como vantagens na utilização deste tipo de tecnologia podemos citar:

• Por se tratarem de equipamentos eletrônicos, permitem a implementação de uma larga gama de serviços impossíveis a medições mecânicas: multi-tarifação, detecção de fraude (fluxo reverso), leitura remota, etc.

• Comparativamente aos hidrômetros com relojoaria mecânica dotados de saídas de pulso são muito mais robustos em termos de imunidade a fraude e falhas por desgaste natural, inibindo inclusive as fraudes de caracter mais grosseiro. Não são tão susceptíveis a incidência de campos magnéticos quanto os hidrômetros convencionais.

• Comparativamente a sistemas eletrônicos híbridos compostos por hidrômetro mecânico dotado de saída de pulso mais unidade terminal remota apresenta como grande vantagem da redução do número de componentes necessários a sua implantação, consequentemente simplificando e reduzindo a probabilidade de falhas por defeito ou avaria.

• Mesmo possuindo funções de curva de carga e tarifação diferenciada possuem saídas de pulso que podem ser acopladas a data loggers ou equipamentos de supervisão e controle do próprio consumidor, permitindo inclusive a totalização externa de volumes em fluxo reverso.

• Possuem rotinas de detecção de problemas de funcionamento e tentativas de fraude.

Abaixo do display pode ser observada a presença de uma janela que tem dupla função a primeira como chave e a segunda como porta ótica. Cobrindo-se esta janela com o dedo dados adicionais são apresentados tais como volume em data pré estabelecida, etc.

O hidrômetro pode ser acessado e energizado externamente via field bus. Entretanto primariamente como fonte de energia há uma bateria interna que garante o funcionamento ininterrupto do modulo durante o período de garantia de calibração (mais de cinco anos) dispensando assim a necessidade de energização externa.

O interface ótica esta situada no topo do módulo. O registrador eletrônico é equipado com memória estendida de dados onde valores passados podem ser armazenados em intervalos ajustáveis.

Dependendo da configuração, o registrador pode disponibilizar ao usuário duas saídas de pulso proporcionais ao volume com valores e duração ajustáveis ou níveis de saída estático para sinalização e controle, e.g., direção de vazão ou sinalização de ultrapassagem de vazão programada. As saídas de usuário são saídas em coletor aberto com uma carga máxima de 30V/100 uA.

Os registradores eletrônicos são dotados de display de cristal líquido - LCD que pode ser chaveado para apresentar a próxima informação de forma seqüencial cobrindo-se a chave ótica com o dedo (reconhecimento claro/escuro).

Dependendo das varias configurações de hidrômetro e de acordo com as necessidades do cliente, seqüências de display alternativas e tipos da saída do usuário resultam em modelos diferentes, mas todas as versões tem: Interface tipo field bus e Ótica.

Informações básicas:

• Volume atual
• Auto teste do display todos os segmentos ligados.
• Auto teste do display todos os segmentos desligados.
• Volume na data ajustada.
• Data ajustada.
• Vazão atual.
• Dias desde a ultime leitura remota.
• Número de leituras remotas.
• Volume desde a ultima leitura.
• Volume em fluxo reverso (em separado).
• Constante de pulso.
• Volume restante até o próximo pulso
• Vazão mínima.
• Vazão máxima.
• Valores fora da faixa (Q_min/Q_max.)
• Volume fora em lote.

Os registradores eletrônicos podem ser lidos localmente com coletores de dados apropriados - HHU - HandHeld Unit. Para atender este propósito, o correspondente dispositivo de leitura apropriado deve ser conectado ao HHU que pode ser óticos ou via field bus.

Figura 3: Leitura via Porta Ótica - Coletor de Dados e Acessórios  
O dispositivo de leitura ótica - Figura 3 - oferece a segurança, conforto e praticidade de leitura de dados dos registradores eletrônicos Para este propósito a cabeça ótica conectada ao HHU é colocada na janela ótica do registrador eletrônico e mantida durante o tempo de comunicação de dados (aproximadamente 3 a 5 segundos).

Outra alternativa ao dispositivo de leitura ótica é a comunicação via dispositivo de leitura do tipo field bus. Os dados serão lidos com o HHU sem qualquer dificuldade pelo socket na caixa de entrada do caixa de medição, ver Figura 4.

Figura 4: Leitura Coletor Dados Via Field Bus / Leitura Via Rádio  
SAÍDAS PARA O USUARIO

Normalmente são oferecidas saídas em coletor aberto que possibilitam a conexão a dispositivos periféricos tanto para controle e supervisão do consumidor quanto da concessionária: amplificador de pulso, transformador de corrente, proteção contra surtos, controle de memória programável, data logger, CLPs, totalizadores, etc. Valores característicos: I_Cmax 100 uA, U_CErest < 0,2 V com transistor conduzindo, U_cmax + 30 V tensão de operação e U_cmax + 50 V tensão de resistência contra tensões de falta. Valores de pulso programáveis para pulsos secundários: l/Imp. 10, 100 m³/Imp.

As saídas de pulso são normalmente programadas para disponibilizarem dados referentes ao fluxo normal de fornecimento de água. Entretanto estas saídas podem ser combinadas com todos os valores de pulso acima mencionados (dependendo do tamanho do hidrômetro), tendo como restrição apenas os casos onde a saída de pulso já está sendo utilizada por outra função, e.g., sinalização da direção da fluxo, controle de vazão com mensagens de alarme, saída de pulso relativa a fluxo reverso, etc.

Como exemplo de saídas de alarme podemos ilustrar a seguinte programação: saída de usuário 2 emitindo sinal para vazão instantânea superior a vazão máxima programada e saída de pulso 2 emitindo sinal para vazão instantânea inferior a vazão mínima programada . Uma das aplicações típicas são o controle de vazão em plantas de bombeamento e controle de Qmax e Qmin contratado ao cliente.

FIELD BUS

Sistemas que utilizam registradores eletrônicos são extremamente versáteis. Adicionalmente os registradores eletrônicos podem também ser acessados via barramento de dados - Field Bus. Como exemplo de field bus podemos citar o padrão M-BUS que é livre de polaridade, isto significa que quando da conexão dos registradores eletrônicos não é necessário observar-se a polaridade .

Como principal características podemos observar a possibilidade de conexão de N registradores eletrônicos em paralelo a um mesmo barramento (par trançado) e assim disponibilizar-se serviços tais como: Leitura centralizada, telemedição, supervisão e controle no caso de plantas industriais, etc.

SEGURANÇA DE DADOS

Os registradores eletrônicos armazenam suas leituras em ciclos ajustáveis, desta forma a memória é ciclicamente escrita. Consequentemente o ultimo valor sendo escrito ao fim da faixa, inicia-se a escrita dos valores sobre os mais antigos.

A cada duas horas, o registrador salva o conteúdo da memória RAM em EEPROM. Aqui, também, o valor armazenado é ciclicamente atualizado. Durante testes em fabrica para analise de funcionamento podem ser encontrados informações relativas a falha no registrador devido um distúrbio ou tentativa de fraude:

Racionalização e Detecção de Perdas

A partir da analise critica dos valores faturados pela companhia de saneamento durante os doze meses anteriores a Outubro de 1997 e levando-se em consideração que a água não é insumo para quaisquer de seus processos fabris o setor industrial da NANSEN S.A. com sede em Contagem resolveu avaliar suas instalações hidráulicas utilizando sistemas eletrônicos de medição de água.

Para racionalizar e otimizar a utilização da água em suas instalações industriais foram tomadas as seguintes medidas nesta primeira etapa:

• Substituição das torres de resfriamento do circuito de refrigeração das injetoras de alumínio para modelos com ciclo fechado.

• Instalação de medições eletrônicas em todos os ramais internos da fabrica interligando-as a um field bus conectado a um computador IBM-PC compatível.

• Verificação e reparo de todos os vazamentos visualmente detectados em torneiras, hidrantes e sanitários.

• Implementação de sistemas de reutilização de água industrial em processos que assim o permitissem.

Figura 5: Perfil de Consumo E.E. de Sertãozinho  
Após esta etapa inicial foi monitorado implementado a monitoração de cada ramal com avaliação do seu perfil de consumo quando unicamente inserido na rede x processo fabril. Concluída a analise dos gráficos gerados pelo sistema de supervisão implantado foram detectadas perdas da ordem de 1 m3/h em um circuito antigo da fabrica que atendia a vestiários, restaurante e escritórios, o que eqüivale a dizer que foram detectadas perdas da ordem de 720 m3/h, 28% do contrato de fornecimento.

Recuperação de Faturamento

A partir do mês de Janeiro de 97 foram instaladas medições eletrônicas em consumidores da SANEPAR a fim de que fosse verificado o comportamento desta nova tecnologia em consumidores com perfil de consumo incompatíveis com suas atividades.

Para tanto foram instalados hidrômetros compostos com relojoarias eletrônicas e hidrômetros eletrônicos classe C com inicio de funcionamento a partir de vazões iguais a 1 litro/h. Os consumidores selecionados foram áreas de camping, hotéis, clubes e edifícios de apartamentos de veraneio.

Em alguns casos como o verificado em um estabelecimento comercial foram projetados incrementos no consumo a ser faturado da ordem de 300%. Basicamente isto se deveu a instalação de medição altamente sensível a baixas vazões que rangeabilidade extremamente elevada.

Tabela 1: E.E. de Sertãozinho

Consumo/m3	Março	Abril	Maio	Junho	Total	(%)
1996	7	1	87	107	202
1997	133	248	264	145	790	291%

Como pode ser observado nos dados abaixo relativos a uma escola localizada no litoral paranaense na região de Caiobá/Matinhos, os consumos faturados apresentaram um aumento da ordem de 291%. Estes valores ocorreram devido a instalação de um hidrômetro eletrônico modelo SCAMPY - NANSEN/HYDROMETER cujo inicio de funcionamento situa-se em 4 l/h, sendo que em alguns casos começão a registrar com vazões de 1/h, alem de fornecer o perfil do consumidor, ver Tabela 1 e Figura 5.

Figura 6: Associação Banestado do Pontal do Paraná
 

Tabela 2: Associação Banestado do Pontal do Paraná - Medição Total

Consumo/m3	Fevereiro	Março	Abril	Maio	Junho	Total
1996	2.850	4.748	1.710	1.032	867	11.207
1997	5.057	2.435	2.332	2.092	1.170	13.086

Na Associação Banestado, localizada no Pontal do Paraná pudemos observar uma melhora substancial no consumo registrado através da instalação de um hidrômetro composto modelo WPV-MF - NANSEN/HYDROMETER com relojoarias eletrônicas FLYPPER. Isto se deve a capacidade de registro de medição a baixa vazões visto que o hidrômetro nos períodos de baixo consumo o hidrômetro auxiliar de Qmax 5,0 m3/h se encontra ativo.

Figura 7 - Associação Banestado, Medição Auxiliar e Principal Podemos concluir através da analise dos gráficos abaixo que a aplicação de hidrômetros compostos em consumidores onde não se pode garantir uma faixa de vazão homogênea é instrumento de elevada eficácia a fim de se garantir uma medição correta e assim evitar perdas comerciais relevantes tendo em vista o perfil dos consumidores nos quais pode ser aplicada esta tecnologia de medição. Vale saltar que no mês de março houve um decréscimo do consumo em relação a igual período no ano de 1996 devido a atípica baixa utilização da associação neste mês especifico.

RESULTADOS

A partir da analise dos casos concretos podemos concluir que:

• As perdas apresentadas pela relação água produzida x água faturada são em sua maioria devidas a:

• Medição incorretamente dimensionada que não levam em consideração possíveis sazonalidades de consumo bem como o regime de fornecimento particular de cada consumidor.

• Baixa interação entre as áreas comercial, operacional e de engenharia de medição no que concerne a analise critica de resultados de faturamento e avaliação de novas técnicas que visem tanto a recuperação de faturamento quanto a conservação e otimização da utilização da água.

• A utilização de hidrômetros eletrônicos e relojoaria eletrônicas com possibilidade de registro do perfil de consumo do cliente é de grande valia pois permite a verificação do perfil do consumidor - Load Profile permite a adequação do tipo de medição ideal para este consumidor, implementar tarifas diferenciadas - horosazonal, diária, etc., alem de otimizar a qualidade da medição através da equalização da curva de erros do hidrômetro. Outros serviços bastante relevantes é o de possibilitar serviços de supervisão do consumo do consumidor e telemedição - Automatic Meter Reading, leitura automática com coletores de dados, Off Site Meter Reading, etc.

NANSEN do Nordeste - Catálogos Gerais.

HYDROMETER - Catálogos Gerais.

HYDROMETER - FLYPPER Manuals.

HYDROMETER - SCAMPY Manuals.

Trevisan, Juarez Trevisan - Gerente de Manutenção de Hidrômetros - DVCM, Nielsen, Milton José - Ass. Diretoria de Pesquisa e Desenvolvimento, SANEPAR, Relatório de teste de hidrômetros da HYDROMETER, Fi 357/97.GMA/DVCM 02/06/1997;