Implementación de una Estación Radiométrica en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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(1)i. IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN RADIOMÉTRICA EN LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. JUAN PABLO ROMERO GÓMEZ Código: 20112372379 NÉSTOR IVÁN MORENO ROBALLO Código: 20102372017. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDÉUTICOS MAYO DE 2016.

(2) ii. IMPLEMENTACIÓN DE UNA ESTACIÓN RADIOMÉTRICA EN LA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. PRESENTADO POR: JUAN PABLO ROMERO GÓMEZ Código: 20112372379 NÉSTOR IVÁN MORENO ROBALLO Código: 20102372017. PROYECTO DE GRADO PRESENTADO COMO REQUISITO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO ELÉCTRICISTA. DIRECTOR: DOCTOR EN CIENCIAS-FÍSICA CESAR ALEXANDER CHACÓN CARDONA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDÉUTICOS MAYO DE 2016.

(3) iii. HOJA DE ACEPTACIÓN. ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ NOTA _______________________________ FIRMA DE JURADO. ________________________________ ________________________________ ________________________________ ________________________________ NOTA ________________________________ FIRMA DE JURADO.

(4) iv. DEDICATORIA. Este trabajo como el fruto de mucho esfuerzo durante nuestra carrera, está dedicado a Dios Padre quién ha aparejado el tiempo y las circunstancias, a nuestras familias, amigos y conocidos, quienes siempre nos apoyaron y forman gran parte de nuestras vidas.. AGRADECIMIENTOS. Con este trabajo le agradecemos a nuestros familiares por ayudarnos durante nuestra estadía en la Universidad, a nuestro tutor por ayudarnos a desarrollar nuestro proyecto. Al doctor Ovidio Simbaqueva Fonseca, por su apoyo en el préstamo de instrumentos patrón para la calibración de los radiómetros y al ingeniero Germán López por su apoyo en la calibración de los demás sensores utilizados en la estación radiométrica..

(5) v. Resumen Este trabajo muestra como resultado la Implementación de una Estación Radiométrica en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, ubicada en Ciudad Bolívar (Bogotá-Colombia). La Estación Radiométrica cuenta con sensores procedentes de trabajos de grado en el primer ciclo de Ingeniería Eléctrica (Tecnología en Electricidad), a saber: . 1 Sensor de radiación solar global – Piranómetro. (Cely & Guerrero, 2008) Variable medida: radiación solar global [W/m2].. . 1 Sensor de radiación Ultra Violeta. (Ballesteros & Cortes, 2009) Variable medida: radiación solar UV-B [mW/cm2].. . 1 Sensor de presión atmosférica – Barómetro. (Rubiano, 2008) Variable medida: presión barométrica [hPa].. . 1 Sensor de humedad relativa y temperatura ambiente. (López & Rincon, 2010) Variable medida: Humedad relativa [%] y temperatura ambiente [°C].. . 1 Sensor de precipitación atmosférica – Pluviómetro. (Rojas & Romero, 2010) Variable medida: Precipitación [mm].. Dichos sensores fueron sometidos a ajustes mecánicos y eléctricos y fueron calibrados e instalados de acuerdo con la normatividad emitida por la Organización Meteorológica Mundial (OMM, Guide to meteorological Instruments and Methods of Observation, 2008) en una estructura compacta de acero inoxidable con el propósito de recibir, almacenar y procesar los datos procedentes de cada sensor a través de un sistema de adquisición de datos desarrollado en éste proyecto..

(6) vi. Para la puesta en marcha de cada sensor se consultaron los trabajos de grado asociados a cada uno de ellos, con el objetivo de conocer su principio de funcionamiento y parámetros de conexión. Adicionalmente, y debido a que el diseño propuesto en éste proyecto contempla una única fuente de alimentación eléctrica, fueron suspendidas las fuentes eléctricas de los sensores y se rediseño la etapa de amplificación y acondicionamiento de señal de los mismos. Solo los sensores de radiación requirieron amplificación de señal la cual se realizó a través de. amplificadores. operacionales. de. alta. ganancia. para. instrumentación.. Para. el. acondicionamiento de señal se utilizó una tarjeta Arduino Nano que transforma la señal análoga de los sensores de radiación en señal digital y recibe la señal digital de los demás sensores para ser transmitida a la etapa de adquisición de datos mediante un cable UTP CAT 6A blindado para evitar interferencias en la comunicación. Una vez terminada la amplificación y acondicionamiento de la señal se procedió a la calibración de los sensores que se llevó a cabo de la siguiente manear: 1. El sensor de radiación solar global y el sensor de radiación UV fueron calibrados con el método de inter-comparación de datos utilizando como patrón un Espectro Radiómetro Espectral facilitado por la Fundación Universitaria Los Libertadores. 2. El sensor de presión atmosférica, el sensor de humedad relativa y de temperatura ambiente fueron calibrados con el método de inter-comparación de datos utilizando como patrón la estación meteorológica “Pegasus EP2010” facilitada por la Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica. 3. El sensor de precipitación atmosférica fue calibrado a través del proceso de calibración dinámica propuesto por la Iniciativa Regional de Monitoreo Hidrológico de.

(7) vii. Ecosistemas Andinos – iMHEA (IMHEA, 2014) y descrito por Calder & Kidd (Kidd C. , 1978).. Finalmente,. la adquisición. de datos se realizó mediante la tarjeta Arduino1R3, la. programación e interfaz del usuario se realizaron mediante el software MatLab de la Universidad Distrital, y su herramienta Guide respectivamente y el ensamble de los sensores se consiguió a través de una estructura de acero inoxidable diseñada para ser instalada en condiciones de intemperie.. Palabras Clave: Estación radiométrica, sensores, acondicionamiento de señal, calibración, OMM, adquisición de datos..

(8) viii. Abstract This work shows the implementation of a radiometric station in the District University Francisco José de Caldas, Technological Faculty, located in Ciudad Bolivar (Bogotá- Colombia). The radiometric station counts with sensors which belongs to previous works in the first engineering cycle of Electrical Engineering (Electricity Technology):. . 1 Sensor of Global solar radiation - Pyranometer (Cely & Guerrero, 2008), measures global solar radiation [W/m].. . 1 Sensor of ultraviolet global radiation (Ballesteros & Cortes, 2009), measures solar radiation in UV-B band [mW/cm]. . 1 Sensor of atmospheric pressure (Rubiano, 2008), measures atmospheric pressure [hPa].. . 1 Sensor of relative humidity and temperature (López & Rincon, 2010), measures relative humidity [%] and temperature [°C].. . 1 Sensor atmospheric precipitation – Pluviometer. (Rojas & Romero, 2010), measures water precipitation [mm].. The sensors was subjected to mechanical and electrical adjust, and was calibrated and installed in accordance with World Meteorological Organization (WMO) in his guide of meteorological Instruments an Methods, (WMO, 2008) inside of stainless steel structures with the purpose to receive, to store and to process the data reported by each sensor through a acquisition system developed in this project..

(9) ix. For the startup of each sensor, the previous thesis was consulted with the aim to know the function principle and the connection parameters. Besides, was closed the energy supplies of every sensor and re-design the amplification and signal conditioning stages, with the purpose to use a unique power supply.. Only the radiation sensor required signal amplification trough operational amplifications of high gain. The signal conditioning was made by Arduino Nano card which transform the analog signal of the solar radiation transducers and receives the digital signal of the rest sensors to be transmitted to the acquisition stage trough a UTP CAT 6A shielded cable in order to avoid communication interference.. The calibration of the sensor was made in the follow manner:. 1. The solar radiation sensor and the UV radiation sensor was calibrated with the inter comparison method using by measurement pattern the GUV 2511 spectroradiometer, which belongs to the university Fundación Universitaria Los Libertadores. 2. The pressure, humidity and temperature sensor, was also calibrated by inter comparison method using by pattern the meteorological station Pegasus EP2010 which belongs to the District University Francisco José de Caldas. 3. The atmospherical precipitation sensor was calibrated by dynamical calibration process in accordance with the Iniciativa Regional de Monitoreo Hidrológico de Ecosistemas Andinos – iMHEA (IMHEA, 2014) y descrito por Calder & Kidd (Kidd C. , 1978)..

(10) x. Finally, the data acquisition was made by the electronic card Arduino1R3, the programming and user interfaz was made by MatLab software and its tool Guide, programs licensed to District University. Al the station was implemented in stainless steel structure to be installed in outside conditions.. Keywords: radiometric station, sensors, signal conditioning, calibration, OMM, data acquisition..

(11) xi. Tabla de contenido 1 1.1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1 Planteamiento del Problema ..................................................................................................................... 5. 1.2 Objetivos del Proyecto .............................................................................................................................. 7 1.2.1 General .........................................................................................................................................................7 1.2.2 Específicos ....................................................................................................................................................7. 2 2.1. 3. MARCO DE REFERENCIA ...................................................................................... 8 Antecedentes ............................................................................................................................................ 8. METODOLOGÍA..................................................................................................... 11. 3.1 Marco Teórico ......................................................................................................................................... 13 3.1.1 Sensores .....................................................................................................................................................13 3.1.1.1 Sensor de radiación solar global (piranómetro) ................................................................................13 3.1.1.2 Sensor de radiación UV-B ..................................................................................................................16 3.1.1.3 Sensor de presión atmosférica (barómetro) .....................................................................................19 3.1.1.4 Sensor de humedad relativa ..............................................................................................................22 3.1.1.5 Sensor de precipitación atmosférica (pluviómetro) ..........................................................................25 3.1.2 Sistema de adquisición de datos ................................................................................................................29 3.1.3 Montaje de la Estación Radiométrica según la Organización Meteorológica Mundial (OMM) .................31 3.2 Adecuación mecánica y eléctrica de sensores y acondicionamiento de señal. ......................................... 33 3.2.1 Sensor de radiación solar global (piranómetro) .........................................................................................34 3.2.2 Sensor de radiación UV-B ...........................................................................................................................36 3.2.3 Sensor de presión atmosférica (barómetro) ..............................................................................................38 3.2.4 Sensor de humedad relativa y temperatura ambiente ..............................................................................40 3.2.5 Sensor de precipitación atmosférica (pluviómetro) ...................................................................................41 3.3. Interfaz gráfica de usuario para monitoreo de estación radiométrica ..................................................... 42. 3.4 Protocolos de calibración. ....................................................................................................................... 44 3.4.1 Sensor de radiación solar global (piranómetro) y Sensor de radiación UV-B .........................................45 3.4.2 Sensor de presión atmosférica y Sensor de humedad relativa/temperatura ambiente ........................48 3.4.3 Sensor de precipitación atmosférica (pluviómetro) ...................................................................................51 3.5 Etapas constructivas de estación radiométrica ........................................................................................ 55 3.5.1 Etapa 1: Disposición de radiómetros .........................................................................................................56 3.5.2 Etapa 2: Disposición de barómetro, termómetro y medidor de humedad................................................56 3.5.3 Etapa 3: Disposición de circuitos electrónicos ...........................................................................................57.

(12) xii 3.5.4. Caja de conexión con puerto USB ..............................................................................................................58. 3.6 Asignación del lugar para montaje de estación radiométrica .................................................................. 59 3.6.1 Montaje de estación radiométrica .............................................................................................................59. 4. CONCLUSIONES ................................................................................................... 60. 5. REFERENCIAS ...................................................................................................... 62. 6. ANEXOS ................................................................................................................ 65.

(13) xiii. Lista de Figuras FIGURA 1. MONTAJE EXPERIMENTAL ..................................................................................................................2 FIGURA 2. DIAGRAMA DE LA METODOLOGÍA .................................................................................................12 FIGURA 3. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO. ..................................................................................................14 FIGURA 4. CARCASA PRINCIPAL Y SOPORTE PARA CIRCUITOS DEL PIRANÓMETRO. .......................... 15 FIGURA 5. DISPOSICIÓN DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS EN EL SOPORTE DE CIRCUITOS ...................16 FIGURA 6. CARCASA PRINCIPAL Y SOPORTE PARA CIRCUITOS DEL SENSOR DE RADIACIÓN UV. ...18 FIGURA 7. CARCASA PARA SENSORES DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y HUMEDAD RELATIVA/TEMPERATURA ..........................................................................................................................21 FIGURA 8. SOPORTE PARA SENSORES: HUMEDAD RELATIVA/TEMPERATURA AMBIENTE (COMPARTIMIENTO SUPERIOR) Y PRESIÓN ATMOSFÉRICA (COMPARTIMIENTO INFERIOR) ....24 FIGURA 9. CARCASA PLUVIÓMETRO. DIMENSIONES EN [MM] ....................................................................26 FIGURA 10. VASO COLECTOR PLUVIÓMETRO. DIMENSIONES EN [MM] ....................................................26 FIGURA 11. DESPIECE DE LA VÁLVULA DE PASO PLUVIÓMETRO..............................................................27 FIGURA 12. BALANCÍN PLUVIÓMETRO ..............................................................................................................28 FIGURA 13. TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS: ARDUINO 1R3 .............................................................29 FIGURA 14. ESTADO INICIAL VS ESTADO FINAL PARA EL SENSOR DE RADIACIÓN SOLAR GLOBAL (PIRANÓMETRO) .............................................................................................................................................35 FIGURA 15. CIRCUITO DE AMPLIFICACIÓN DE SEÑAL DE MEDIDORES DE RADIACIÓN......................36 FIGURA 16. ESTADO INICIAL VS ESTADO FINAL PARA EL SENSOR DE RADIACIÓN UV-B ...................37 FIGURA 17. ESTADO INICIAL SENSOR DE PRESIÓN (BARÓMETRO) ...........................................................39 FIGURA 18. ESTADO INICIAL SENSOR DE PRECIPITACIÓN ATMOSFÉRICA (PLUVIÓMETRO) .............42 FIGURA 19. INTERFAZ GRÁFICA. PRESENTACIÓN DE VARIABLES EN TIEMPO REAL CON SOFTWARE GUIDE DE MATLAB ........................................................................................................................................43 FIGURA 20. PROGRAMA ARDUINO. RECONOCIMIENTO DE PINES DE LOS DIFERENTES SENSORES DE LA ESTACIÓN ............................................................................................................................................44 FIGURA 21. GRÁFICA RESULTADO DE LA CALIBRACIÓN DEL PIRANÓMETRO CON UN ESPECTRORADIÓMETRO ESPECTRAL .......................................................................................................46 FIGURA 22. GRÁFICA RESULTADO DE LA CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE RADIACIÓN UB-V CON UN ESPECTRORADIÓMETRO ESPECTRAL ................................................................................................47 FIGURA 23. GRÁFICA RESULTADO DE LA CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA ............................................................................................................................................................................49 FIGURA 24. GRÁFICA RESULTADO DE LA CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE TEMPERATURA AMBIENTE ........................................................................................................................................................49 FIGURA 25. GRÁFICA RESULTADO DE LA CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE HUMEDAD RELATIVA ...50 FIGURA 26. GRÁFICA RESULTADO DE LA CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE PRECIPITACIÓN PLUVIÓMETRO ................................................................................................................................................54 FIGURA 27. BASE PRINCIPAL PLUVIÓMETRO. ..................................................................................................55 FIGURA 28. DISPOSICIÓN DE RADIÓMETROS. ..................................................................................................55 FIGURA 29. DISPOSICIÓN DE SENSOR DE HUMEDAD RELATIVA/TEMPERATURA Y SENSOR DE PRESIÓN BAROMÉTRICA ..............................................................................................................................57 FIGURA 30. MÓDULO DE CONEXIONES ..............................................................................................................58 FIGURA 31. DETALLE DE LA BASE DE LA ESTACIÓN RADIOMÉTRICA......................................................59.

(14) xiv. Lista de Tablas. TABLA 1. ESTADO INICIAL, MEJORAS Y ESTADO FINAL DE CADA SENSOR. ..............................................4 TABLA 2. LISTADO DE PROYECTOS DE PRIMER CICLO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA (TECNOLOGÍA ELÉCTRICA) .......................................................................................................................................................6 TABLA 3. NÚMERO DE ESTACIONES RADIOMÉTRICAS TERRESTRES UTILIZADAS EN LA ELABORACIÓN DE LOS ATLAS. ....................................................................................................................8 TABLA 4. VARIABLES MEDIDAS POR CADA SENSOR UTILIZADO. .............................................................. 11 TABLA 5. VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA EN BOGOTÁ. ................... 20 TABLA 6. ESPECIFICACIONES TÉCNICAS. ARDUINO 1R3. ............................................................................. 30 TABLA 7. CONDICIONES DE OPERACIÓN AMPLIFICADOR AD620A ............................................................. 35 TABLA 8. CONDICIONES DE OPERACIÓN SENSOR BMP180 ............................................................................ 40 TABLA 9. CONDICIONES DE OPERACIÓN SENSOR AM2302 ............................................................................ 41 TABLA 10. CONDICIONES DE OPERACIÓN DE LA TARJETA ARDUINO NANO V3.0 .................................. 41.

(15) 1. 1 Introducción La implementación de una estación radiométrica lleva consigo la medición de variables que son importantes en la investigación científica. Medir la radiación solar, y variables meteorológicas como la presión atmosférica, la humedad relativa, la temperatura ambiente y la precipitación atmosférica es de suma importancia, en los sectores de la agricultura o la ingeniería entre otros, destacándose el monitoreo del efecto en el crecimiento de las plantas, la generación de electricidad, el diseño y uso de sistemas de calentamiento solar, las implicaciones en la salud, modelos de predicción del tiempo, el clima y muchas aplicaciones más. “En cuanto a la disminución de la capa de ozono y por lo tanto el aumento de la radiación ultravioleta en la superficie terrestre, se aumenta la posibilidad de que dicha radiación produzca daños a la piel humana” (Flores, 2012). En particular en este trabajo, se toman los sensores provenientes de trabajos de grado de tecnología en electricidad que se referencian a continuación: . 1 Sensor de radiación solar global – Piranómetro. (Cely & Guerrero, 2008) Variable medida: radiación solar global [W/m2].. . 1 Sensor de radiación Ultra Violeta. (Ballesteros & Cortes, 2009) Variable medida: radiación solar UV-B [mW/cm2].. . 1 Sensor de presión atmosférica – Barómetro. (Rubiano, 2008) Variable medida: presión barométrica [hPa].. . 1 Sensor de humedad relativa y temperatura ambiente. (López & Rincon, 2010) Variable medida: Humedad relativa [%] y temperatura ambiente [°C].. . 1 Sensor de precipitación atmosférica – Pluviómetro. (Rojas & Romero, 2010) Variable medida: Precipitación [mm]..

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(17) 3. En la primera parte del trabajo se presentan los ajustes mecánicos de los sensores, acondicionamiento de señal y calibración de cada uno de ellos. En la Tabla 1 se presenta el estado inicial, mejoras y estado final de cada sensor. El método utilizado para la calibración consiste en una inter-comparación de datos obtenidos de manera automática a través de las tarjetas de adquisición de los sensores patrón y los sensores a calibrar. Esto se consigue estableciendo un mismo tiempo de muestreo, logrando de esta manera obtener una mayor cantidad de datos homogéneos en el tiempo reduciendo así los errores de sincronización en las mediciones, comparado con un método instrumental manual de medición uno a uno basado en voltímetros, mejorando de esta manera la calidad de los datos y por ende de la calibración. En la segunda parte se enfatiza en la configuración de la adquisición de datos, su almacenamiento y la visualización de las variables medidas por cada sensor y por último se realiza el montaje de todos los sensores en una única estructura compacta..

(18) 4. Tabla 1. Estado inicial, mejoras y estado final de cada sensor. SENSOR. AÑO. ESTADO INICIAL . Sensor de radiación solar global – Piranómetro. 2008.   . Sensor de radiación solar ultravioleta – UV-B. 2009.  . Sensor de presión atmosférica – Barómetro. Sensor de humedad relativa y temperatura. Sensor de precipitación atmosférica – Pluviómetro.  2010.  . 2010. NOTA. LOS AUTORES. Fuente de alimentación hermética Integrado interno UVD30A Estructura física Fuente de alimentación hermética Integrado interno digital Estructura física. Disponibilidad física.  2010. . Fuente de alimentación hermética Integrado interno OP910W Estructura física.  . Fuente de alimentación hermética Integrado interno digital Estructura física. ×  ×. . √ ×  . √. . √ √  ×  . √ × √ √ √.     . MEJORAS Fuente conmutada hermética Nuevo integrado OP910W con tarjeta de montaje y circuito de amplificación Refuerzo hermético entre el teflón con el acero. Soporte para circuitos Fuente conmutada hermética Tarjeta de montaje y circuito de amplificación Refuerzo hermético entre el teflón con el acero. Soporte para circuitos Fuente conmutada hermética de bajo ruido eléctrico Circuito integrado digital BMP180 Estructura de fácil acceso para mantenimiento resistente a la intemperie Sensor digital AM2302 Estructura de fácil acceso para mantenimiento resistente a la intemperie Fuente conmutada hermética de bajo ruido eléctrico Implementación de circuito Arduino Nano para el manejo de la señal Ampliación de la estructura para el montaje de los sensores de la estación radiométrica. ESTADO FINAL Estructura resistente a la intemperie con circuitos electrónicos de fácil mantenimiento, amplificación de señal sin interferencia eléctrica y fuente de alimentación centralizada. Estructura resistente a la intemperie con circuitos electrónicos de fácil mantenimiento, amplificación de señal sin interferencia eléctrica y fuente de alimentación centralizada.. Estructura resistente a la intemperie, pastilla electrónica comercialmente disponible, fácil mantenimiento y fuente de alimentación centralizada.. Estructura resistente a la intemperie, pastilla electrónica comercialmente disponible, fácil mantenimiento y fuente de alimentación centralizada.  Estructura resistente a la intemperie con capacidad para el montaje de los sensores de la estación.  Fuente de alimentación centralizada..

(19) 5. 1.1 Planteamiento del Problema. Dado que el Grupo de Investigación “Astro UD Sabio Caldas” de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas cuenta con una serie de sensores y equipos auxiliares, provenientes de trabajos preliminares de grado del primer ciclo de ingeniería eléctrica (tecnología eléctrica), destinados a medir la radiación solar global en [W/m2], la radiación solar ultravioleta en [mW/cm2], la humedad relativa en [%], la presión atmosférica en [hPa], la temperatura ambiente en [°C] y la pluviosidad en [mm]. Se tiene la necesidad de realizar observaciones físicas del astro rey, conocer el comportamiento de las variables que pueden medir los sensores y proporcionar información de una forma continua y automática que pueda ser almacenada para su posterior análisis. En la tabla 2, se presenta el listado de los trabajos de grado que fueron consultados para el propósito de éste trabajo.. Adicionalmente, la importancia de utilizar los sensores construidos radica, en el aprovechamiento de estos desarrollos para evitar el costo asociado a adquirir equipos comerciales, dotar al Grupo de Investigación “Astro UD Sabio Caldas” de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas con una estación radiométrica que permite conocer el comportamiento de las variables medidas para realizar estudios y posteriores análisis de los datos entregados por la estación.. La solución planteada unifica todos los sensores en un único equipo portátil y automático que le permite al Grupo de Investigación “Astro UD Sabio Caldas” de la Universidad Distrital.

(20) 6. Francisco José de Caldas realizar mediciones, estudios, calibraciones (como equipo patrón) y demostraciones en otros lugares fuera de la Facultad, como universidades, entidades educativas, entidades gubernamentales como el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales de Colombia IDEAM, la Unidad de Planeación Minero Energética UPME, industrias y otros lugares donde sean requeridos estos servicios.. Tabla 2. Listado de proyectos de primer ciclo de Ingeniería Eléctrica (Tecnología Eléctrica) PROYECTO. AÑO. AUTORES. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN MEDIDOR DE RADIACION SOLAR. 2008. OSCAR EDUARDO CELY RUIZ - ALVARO FERNANDO GUERRERO. 2009. JOHANNA ALEXANDRA BALLESTEROS MORA JOSE DAVID CORTES TORRES. ESTRUCTURA FÍSICA FUNCIONAL EN ACERO INOXIDABLE, FOTODIODO PARA ULTRAVIOLETA UV-B Y FUNDAMENTO TEÓRICO. "DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN INSTRUMENTO PARA LA MEDICION DE RADIACION ULTRAVILOETA TIPO B INCIDENTE EN LA FACULTAD TECNOLOGICA DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL". APORTE ESTRUCTURA FÍSICA FUNCIONAL EN ACERO INOXIDABLE Y FUNDAMENTO TEÓRICO. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SENSOR DE PRECIPITACIÓN ATMOSFERICA. 2010. DIANA MILENA ROJAS JUAN PABLO ROMERO. EQUIPO ELÉCTRICO Y MECÁNICO FUNCIONAL (AHORA: BASE MECÁNICA DE LA ESTACIÓN)Y FUNDAMENTO TEÓRICO. DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA DE MEDICION Y REGISTRO DE HUMEDAD RELATIVA Y TEMPERATURA AMBIENTE. 2010. JOSE ALFREDO RINCON CAMACHO - JHON EDISON LOPEZ CELIZ. FUNDAMENTO TEÓRICO. DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SENSOR DE PRESION ATMOSFERICA. 2008. WILLIAM DIONISIO RUBIANO GALVIS. EQUIPO ELÉCTRICO FUNCIONAL Y FUNDAMENTO TEÓRICO. NOTA. LOS AUTORES.

(21) 7. 1.2 Objetivos del Proyecto. 1.2.1 General. Implementar una estación radiométrica en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.. 1.2.2 Específicos. 1. Calibrar los sensores existentes en el grupo de investigación AstroUD, a saber: un sensor de radiación solar global, un sensor de radiación UV, un sensor de humedad relativa, un sensor de presión (barómetro) y un sensor de precipitación atmosférica (pluviómetro).. 2. Instalar los sensores mencionados anteriormente de acuerdo con la normatividad emitida por la Organización Meteorológica Mundial (OMM).. 3. Desarrollar una interfaz en Matlab, para visualizar, almacenar y procesar los datos recogidos por los diferentes sensores, posteriormente mencionados, a través del uso de una tarjeta de adquisición de datos y de un PC..

(22) 8. 2 Marco de Referencia 2.1 Antecedentes. Teniendo como referente investigaciones preliminares en radiación solar, este trabajo se basó principalmente en la información presentada en el Atlas de Radiación Solar de Colombia (UPME, 2005). En la tabla 3, se compara el número de estaciones radiométricas terrestres utilizadas en la elaboración de los atlas de radiación solar.. Tabla 3. Número de estaciones radiométricas terrestres utilizadas en la elaboración de los atlas. Estaciones. Incremento de puntos con. Atlas 1993. Atlas 2003. Referencia. 8. 32. 400%. Radiométricas. 8. 39. 488%. Brillo. 195. 383. 196%. Humedad y temperatura. 0. 96. Totales. 203. 550. información. 268%. Nota. Recuperado de http://www.upme.gov.co/Docs/Atlas_Radiacion_Solar/10-Apendice_D.pdf. Para la elaboración de la segunda edición del Atlas se contó, además, con información de cerca de 600 estaciones con información del periodo comprendido entre 1991-2002. Otro aspecto importante a considerar consiste en que la radiación solar es la principal fuente de energía para la fotosíntesis y la bioproductividad. Las plantas interceptan parte de esta energía para llevar a cabo el proceso fotosintético responsable de la principal entrada de energía libre en la biosfera, pero menos del 5% es utilizada normalmente en este proceso. El resto se usa.

(23) 9. para calentar la planta y los organismos circundantes, determinado también la temperatura a la cual se llevan a cabo los procesos fisiológicos. La radiación solar, por su cantidad y distribución espectral juega un papel importante en la regulación del crecimiento y desarrollo vegetal; la calidad de la radiación afecta la calidad de los frutos, el fototropismo y fotomorfogénesis y las radiaciones de alta energía, incluyendo la ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma, que pueden tener efectos dañinos ya que afectan la estructura del material genético causando mutaciones (Valencia, 2003, pág. 11). En las zonas tropicales, donde la radiación solar es alta, generalmente en horas del mediodía, la radiación electromagnética proveniente del sol incide en forma casi vertical ya que depende de la posición aparente del sol para cada día del año, lo cual favorece una menor intensidad de la iluminación en plantas con hojas erectas, en comparación con plantas de hojas menos erectas. (Amaya, 2002, pág. 33). Al hablar de radiación solar se debe considerar el índice ultravioleta (IUV) ya que éste asocia la intensidad de la radiación solar ultravioleta (UV-B) incidente sobre la superficie de la tierra, que puede causar posibles daños en la piel humana. Este índice permite evitar los riesgos de afectación de las personas, según el tipo de piel y es una medida de orientación dirigida a promover en la población una exposición saludable al sol, ya que ésta es necesaria para diversos procesos biológicos del organismo humano. Este indicador alcanza los niveles más altos alrededor del mediodía y cuanto más alto, mayor es la probabilidad de lesiones cutáneas y oculares. Ante éste panorama la Fundación Universitaria de los Libertadores adquirió un espectroradiómetro espectral de precisión de alta velocidad del tipo GUV2511 (Ground Ultraviolet) que detecta la radiación global en [W/m2] en los canales monocromáticos de 305.

(24) 10. nm, 313 nm, 320 nm, 340 nm, 380 nm y 395 nm, con anchos de banda de 10 nm y un registro promedio de cerca de 200 medidas en cada minuto (Gonzáles, 2011). Este espectroradiómetro es único en Colombia ya que sus características permiten el monitoreo sobre las condiciones atmosféricas que tienen impacto en la radiación ultravioleta sobre la capital, además de entregar datos reales de cuanta de esta radiación está llegando a la superficie para determinar, de ésta manera, sus efectos sobre la salud. Esta herramienta hace parte de la línea Institucional en Calidad Ambiental y Producción más limpia, un proyecto creado en el año 2009 y que aporta a la responsabilidad social de nuestro país y al cuidado medio ambiental (Libertadores, 2014), ya que los datos entregados por el éste equipo permiten determinar el deterioro de la capa de ozono sobre Bogotá y de ésta manera identificar las zonas donde la incidencia de rayos ultravioleta representa un mayor riesgo para la salud de los bogotanos (CVNE, 2010) Considerando la gran precisión de este espectroradiómetro espectral, se ha tomado como equipo patrón para la calibración de los sensores de radiación solar que hacen parte de los dos sensores que registran el comportamiento del sol en la estación radiométrica propósito de éste proyecto..

(25) 11. 3 Metodología. El conjunto de instrumentos a través del cual se puede lograr la estación radiométrica son:  Sensor de radiación solar global (piranómetro)  Sensor de radiación UV-B  Sensor de humedad relativa  Sensor de presión (barómetro)  Sensor de precipitación atmosférica (pluviómetro) La distribución espacial de los sensores sigue el esquema clásico de las estaciones radiométricas de acuerdo con la normatividad emitida por la Organización Meteorológica Mundial (OMM) y se instalará en el sitio destinado por el grupo de investigación “AstroUD Sabio Caldas”. Cada sensor se conecta con su propio canal a la unidad de adquisición de datos. Esta interfaz tiene la capacidad de digitalizar la señal analógica o digital de los diferentes sensores y almacenar los datos en un PC. Sin embargo, los detalles de funcionamiento y conexión de estos sensores se presentan en el desarrollo de este documento (ver tabla 4). Tabla 4. Variables medidas por cada sensor utilizado. ITEM. SENSOR. VARIABLE MEDIDA. UNIDAD. 1. Radiación solar global – Piranómetro. Densidad de flujo de radiación solar. W/m2. 2. Radiación Ultravioleta UV B. Radiación ultravioleta. mW/cm2. 3. Humedad Relativa. Humedad en un área específica. %. 4. De Presión – Barómetro. Presión del aire. hPa. 5. De precipitación atmosférica. Cantidad de agua precipitada. mm. Nota. Basado en la Guía de instrumentos y métodos de observación meteorológicos OMM-N°8..

(26) 12. En la figura 2 se expone un diagrama con la metodología utilizada en el trabajo.. ESTACIÓN RADIOMÉTRICA Marco teórico. Revisión de funcionamiento de sensores. Reparación de sensores y acondicionamiento de señal. Elaboración de nuevos diseños. Protocolos de calibración. Referencia de patronamiento. Adquisición de datos Desarrollo de una interfaz en Matlab para el procesamiento de la información Implementación de estación radiométrica. Figura 2. Diagrama de la metodología.

(27) 13. 3.1 Marco Teórico. En esta primera parte del trabajo se muestra algunas definiciones básicas tratadas a lo largo del presente documento, así como también, se exponen los principios de funcionamiento de cada uno de los sensores, la adquisición de datos, los criterios para el diseño de una interfaz gráfica y la forma de instalar una estación radiométrica según la Organización Meteorológica Mundial (OMM).. 3.1.1 Sensores Como se mencionó anteriormente, en esta investigación se consultaron los trabajos de grado de Tecnología en Electricidad (ver Tabla 2) y artículos científicos, en los cuales está implicado cada uno de los sensores del proyecto de la estación radiométrica; con el objetivo de conocer su principio de funcionamiento y parámetros de conexión.. 3.1.1.1 Sensor de radiación solar global (piranómetro) Se conoce por radiación solar al conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol en el orden de 150 nm a 4000 nm. Pero solamente una parte alcanza la superficie de la tierra, debido a que son absorbidas por los gases de la atmosfera. La radiación ultravioleta está en el orden de 150 nm a 400 nm, la luz visible de 400 nm a 740 nm y el infrarrojo de 740 nm a 4000 nm. Este rango de longitudes de onda se denomina espectro electromagnético y se presenta en figura 3..

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(29) 15. la medición y soporte a un difusor de teflón sostenido mediante resina epóxica. para evitar. filtraciones de humedad. Las dos piezas están unidas sólidamente a través de soldadura a gas y arco mecánico MIG ofreciendo una única estructura sólida que puede ser nivelada a través de dos niveles lineales de burbuja y fijada a través de tornillos. Ver figura 4- imagen a la izquierda.. Figura 4. Carcasa principal y soporte para circuitos del piranómetro.. Difusor. Consiste en un disco de 48 mm de diámetro y 2 mm de espesor construido en teflón que tiene la finalidad de aumentar la percepción de la radiación por parte del fotodiodo cuando el sol está próximo al horizonte. (Cely & Guerrero, 2008) Soporte para circuitos. Consiste en un componente diseñado con la finalidad de ofrecer soporte mecánico y aislamiento eléctrico al circuito de amplificación y al fotodiodo receptor. Está construido en polietileno de alta densidad EMPACK HD, un material clasificado como plásticos de ingeniería ya que es mecanizable, ofrece resistencia mecánica y a la abrasión y ofrece condiciones de aislamiento eléctrico excelentes. Ver figura 4- imagen a la derecha. Circuitos electrónicos. El transductor de éste equipo consiste en un fotodiodo PIN OPTEK OP910W (OPTEK_data/OP910W, 2015) con una distancia al difusor de 3 mm, fijado en el centro de un circuito impreso de 36 mm de diámetro y 1,5 mm de espesor. La señal de éste.

(30) 16. fotodiodo es recibida por un circuito de amplificación conformado por un amplificador para instrumentación AD620 (AD, 2015), que incrementa la señal de salida del fotodiodo de 100mV DC a 2V DC requeridos por la tarjeta de adquisición de datos. Posteriormente la señal de salida del amplificador, que varía desde los 0 a los 5 VDC, es enviada a través de cable blindado, para evitar interferencias electromagnéticas, a la tarjeta Arduino Nano para su posterior digitalización. La figura 5 presenta el montaje de los circuitos electrónicos en el soporte de circuitos.. Figura 5. Disposición de circuitos electrónicos en el soporte de circuitos. 3.1.1.2 Sensor de radiación UV-B La radiación ultravioleta (UV) es una forma de energía radiante invisible que cubre el rango de longitudes de onda entre los 150 nm y los 400 nm, se mide en mili vatios por centímetro cuadrado [mW/cm2] y se clasifica en tres categorías, con la longitud de onda:.

(31) 17. UV-A 315-400 nm. UV-B 208-315 nm. UV-C 100-208 nm. La radiación UV-A es la que llega a la tierra en mayores cantidades. Esta penetra en el tejido conectivo y es la causa fundamental de las lesiones crónicas inducidas por la radiación, como el envejecimiento prematuro de la piel. Aunque es la forma menos dañina, también puede dañar pinturas y plásticos que se encuentren en la intemperie. Para la radiación UV-B, con un menor porcentaje de incidencia sobre la superficie de la tierra, está demostrada la relación entre el cáncer de piel tipo melanoma y su incidencia sobre la superficie terrestre, por lo tanto es mucho más que potencialmente dañina reduciendo el crecimiento de las plantas y causando daños a la salud, llegando a producir cataratas, reacciones inflamatorias del ojo, daños en la piel; ocasiona daños a otras formas de vida, así como a materiales y equipos que se encuentren en la intemperie. La radiación UV-C son la forma más dañina de toda la gama de rayos ultravioleta por su alto contenido energético, pero esta radiación es absorbida por el oxígeno y el ozono en la estratosfera y no llega a la superficie de la tierra. Principio de funcionamiento: Tiene como fundamento el efecto fotoeléctrico en donde la radiación recibida por la superficie del diodo, dentro del rango de los 150 nm a los 400 nm, genera un nivel de tensión proporcional a esta radiación.. Estructura física del instrumento. Carcasa. Es una estructura de acero inoxidable conformada por un anillo de 132 mm de diámetro que ofrece un apoyo mecánico para soportar el dispositivo a la estructura principal y un.

(32) 18. cilindro de 51 mm de diámetro que ofrece albergue a los componentes electrónicos que permiten la medición y soporte a un difusor de teflón sostenido mediante resina epóxica. para evitar. filtraciones de humedad. Las dos piezas están unidas sólidamente a través de soldadura a gas y arco mecánico MIG ofreciendo una única estructura sólida que puede ser nivelada a través de un nivel capsular de burbuja y fijada a través de tornillos. Ver figura 6- imagen a la izquierda. Esta estructura ha sido diseñada para. para soportar la exposición a condiciones. ambientales y que al mismo tiempo actué como una Jaula de Faraday, con el fin de evitar tensiones inducidas debido a campo eléctrico remanente en el circuito. Con una base circular y un cuerpo cilíndrico hueco en el interior, donde está ubicado el circuito de pre amplificación. (Ballesteros & Cortes, 2009). Figura 6. Carcasa principal y soporte para circuitos del sensor de radiación UV.. Soporte para circuitos. Consiste en un componente diseñado con la finalidad de ofrecer soporte mecánico y aislamiento eléctrico al circuito de amplificación y al fotodiodo receptor. Está construido en polietileno de alta densidad EMPACK HD, un material clasificado como plásticos de ingeniería ya que es mecanizable, ofrece resistencia mecánica y a la abrasión y ofrece condiciones de aislamiento eléctrico excelentes. Ver figura 6- imagen a la derecha..

(33) 19. Circuitos electrónicos. El transductor de éste equipo consiste en un fotodiodo UVD30A (fotodiodo, 2015) con una distancia al difusor de 3 mm, fijado en el centro de un circuito impreso de 36 mm de diámetro y 1,5 mm de espesor. La señal de éste fotodiodo es recibida por un circuito de amplificación conformado por un amplificador para instrumentación AD620 (AD, 2015), que incrementa la señal de salida del fotodiodo de 100mV DC a 2V DC requeridos por la tarjeta de adquisición de datos. Posteriormente la señal de salida del amplificador, que varía desde los 0 a los 5 VDC en función dela radiación, es enviada a través de cable blindado, para evitar interferencias electromagnéticas, a la tarjeta Arduino Nano para su posterior digitalización. La figura 5 presenta el montaje de los circuitos electrónicos en el soporte de circuitos.. 3.1.1.3 Sensor de presión atmosférica (barómetro) La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre la superficie terrestre y se mide en hecto pascales [hPa]. Es importante conocer que valores de presión se pueden llegar a medir no solo en el caso particular de Bogotá, sino globalmente, para ello se investigó los valores de los barómetros comerciales y la variación diaria de la presión atmosférica. Un barómetro comercial de empresas fabricantes de estaciones meteorológicas tienen un rango promedio de 55 a 110 kPa, un ejemplo son los sensores que adquirió el IDEAM en el año 2007:  Barómetros de mercurio 560-1030 HPa de -15 a +50 °C, Precisión +/- 0.3 HPa, División (lectura): 0.1 HPa para laboratorio.  Con mediciones hechas por el observatorio meteorológico de Bogotá entre los años de 1950 y 1980, se obtuvieron los valores de la tabla 5, estos son los valores promedio.

(34) 20. año de un día en la ciudad de Bogotá y sirven para conocer la variación de la presión atmosférica. Tabla 5. Valores máximos y mínimos de la presión atmosférica en Bogotá. Presión. Medida (HPa). Valores Mínimos. 751.3. Valores Máximos. 752.1. Nota. Basado en documentación del IDEAM.. Los datos de la tabla 5, muestran que la presión atmosférica presenta pequeñas variaciones, en un rango de 0.72 kPa, las cuales están determinadas por las condiciones atmosféricas. El sensor de presión atmosférica de la estación radiométrica genera una señal análoga de 0-5 VDC con una sensibilidad de 10 Pa/mv, también se puede ajustar para un conversor análogo digital mínimo de 8 bits, siendo un sensor económico y sencillo de operar, además tiene un bajo consumo de energía de tan solo de 0.9 W/hora. (Rubiano, 2008) Principio de funcionamiento: Su principio de operación se basa en la tecnología piezo-resistiva de alta eficiencia capaz de detectar los pequeños cambios en la resistencia de un conductor causados por la deformación del mismo en función de la presión Estructura física del instrumento Carcasa. Esta se compone de dos partes: la primera consiste en un soporte para sensores fabricado en polietileno de alta densidad EMPACK HD mecanizado a medida que tiene la función de albergar, en una de sus cavidades, el sensor BMP180 de presión atmosférica y ofrecer un soporte estable para la carcasa principal y un anclaje óptimo a la estructura principal de acero inoxidable de la estación radiométrica. La segunda, consiste en una estructura diseñada de tal manera que permite el ingreso del aire del ambiente, pero impide el ingreso de agua a los.

(35) 21. sensores cuando las condiciones climáticas son adversas y protege al sensor de la radiación solar, las precipitaciones y el viento. Está construida en poliácido láctico PLA ya que es biodegradable y es resistente a la intemperie (PLA bioplastics, 2013) y ha sido realizada bajo el proceso de Modelado por Deposición Fundida MDF en una impresora 3D. Ver figura 7 – imagen a la izquierda. Soporte para circuitos. Este componente hace parte de la carcasa y consiste en un componente diseñado con la finalidad de ofrecer soporte mecánico y aislamiento eléctrico a los sensores de presión atmosférica y humedad relativa/temperatura. Está construido en polietileno de alta densidad EMPACK HD, un material clasificado como plásticos de ingeniería ya que es mecanizable, ofrece resistencia mecánica y a la abrasión y ofrece condiciones de aislamiento eléctrico excelentes. Ver figura 7 - imagen a la derecha.. Figura 7. Carcasa para sensores de presión atmosférica y humedad relativa/temperatura.

(36) 22. Circuitos electrónicos. Este dispositivo utiliza en sensor digital BMP180 (Bosch) que presenta un rango de operación de 300 a 1100 [hPa] y se caracteriza porque es compacto, comercialmente disponible y presenta un funcionamiento óptimo ante las condiciones climáticas a las que será sometido ya que la señal entregada es digital, no requiere de etapa de amplificación y es totalmente compatible con la tarjeta de adquisición de datos empleada (Bosch, pág. 2).. 3.1.1.4 Sensor de humedad relativa Se conoce como humedad la cantidad de vapor de agua presente en el aire, es decir el número de moléculas de agua por unidad de volumen de aire. La noción física de humedad es plural y por tal razón el contenido del vapor de agua en la atmosfera, al igual que su estado en relación a la saturación. Puede ser expresado de muchas formas de acuerdo a aplicaciones especiales. El concepto de humedad relativa deﬁnido por la relación expresada en porcentaje entre la cantidad de vapor de agua que existe realmente y la cantidad de vapor de agua que existiría si el aire estuviera saturado a la misma temperatura. Se expresa en [%] de humedad y no indica la cantidad de gramos de agua que hay en la atmosfera, sino la cantidad de agua que puede admitir. La humedad relativa puede determinarse de varias maneras, por ejemplo:. �� =. �� . (1). Donde Pp es la presión parcial del vapor de agua y Ps es la presión de saturación del vapor, en el que el valor de 100 caracteriza el aire saturado y el valor de 0 el aire completamente seco. (López & Rincon, 2010).

(37) 23. Principio de funcionamiento: Su principio de funcionamiento es capacitivo en donde se aprovecha el cambio de la capacitancia de un condensador al variar la constante dieléctrica del mismo que en este caso es la mescla agua aire que cambia respecto a la humedad del ambiente.. Estructura física del instrumento. Carcasa. Esta se compone de dos partes: la primera consiste en un soporte para sensores fabricado en polietileno de alta densidad EMPACK HD mecanizado a medida que tiene la función de albergar, en una de sus cavidades, el sensor digital AM2302 y ofrecer un soporte estable para la carcasa principal y un anclaje óptimo a la estructura principal de acero inoxidable de la estación radiométrica. La segunda, consiste en una estructura diseñada de tal manera que permite el ingreso del aire del ambiente, pero impide el ingreso de agua a los sensores cuando las condiciones climáticas son adversas y protege al sensor de la radiación solar, las precipitaciones y el viento. Está construida en poliácido láctico PLA ya que es biodegradable y es resistente a la intemperie (PLA bioplastics, 2013) y ha sido realizada bajo el proceso de Modelado por Deposición Fundida MDF en una impresora 3D. Ver figura 7 – imagen a la izquierda. Soporte para circuitos. Este componente hace parte de la carcasa y consiste en un componente diseñado con la finalidad de ofrecer soporte mecánico y aislamiento eléctrico a los sensores de presión atmosférica y humedad relativa/temperatura. Está construido en polietileno de alta densidad EMPACK HD, un material clasificado como plásticos de ingeniería ya que es mecanizable, ofrece resistencia mecánica y a la abrasión y ofrece condiciones de aislamiento eléctrico excelentes. Ver figura 7 - imagen a la derecha..

(38) 24. Circuitos electrónicos. Este dispositivo utiliza en sensor digital AM2302 (Humedad, 2015) con un rango de operación de 0 a 100 [%] y se caracteriza porque es compacto, comercialmente disponible y presenta un funcionamiento óptimo ante las condiciones climáticas a las que será sometido. No requiere de etapa de amplificación y es totalmente compatible con la tarjeta de adquisición de datos empleada. La figura 8 presenta el soporte principal de EMPACK HD con sus dos compartimientos destinados a alojar los sensores de presión atmosférica y de humedad relativa en una única estructura.. Figura 8. Soporte para sensores: humedad relativa/temperatura ambiente (compartimiento superior) y presión atmosférica (compartimiento inferior).

(39) 25. 3.1.1.5 Sensor de precipitación atmosférica (pluviómetro) La precipitación se define como el resultado líquido o sólido de la condensación del vapor de agua que cae de las nubes o del aire y se deposita en el suelo, es decir lluvia o granizo. En otras latitudes la nieve, la escarcha, la precipitación de la neblina y el roció que también hacen parte de este fenómeno. La unidad más comúnmente utilizada para la medición de la precipitación es el milímetro (mm) y se puede considerar como la altura que alcanza un litro de agua precipitada en una superficie impermeable de 1m². Adicionalmente, la intensidad de la precipitación se interpreta como la cantidad de agua que se precipita en una unidad de tiempo y normalmente se expresa en milímetros por hora [mm/h], excepto para las precipitaciones muy intensas las cuales se expresan en milímetros por minuto [mm/min]. Principio de funcionamiento: El funcionamiento de este equipo se basa en el volcamiento de un balancín en equilibrio inestable sobre un eje horizontal capaz de accionarse con una cantidad determinada de agua y generar pulsos eléctricos a través de un fototransistor. Este sensor está compuesto por las siguientes partes:. Carcasa. Es un recipiente de aluminio resistente a la intemperie con un área de entrada de 200 cm2, según los requerimientos de la O.M.M. Este recipiente es el encargado de proteger el sistema basculante y el sensor (fototransistor de herradura) que mide los pulsos que genere cada movimiento del balancín debido a la precipitación; la boca tiene el borde biselado y cortante, con la finalidad de dividir las gotas que caen evitando de ésta manera salpicaduras que afectan la medición. (Ver Figura 9)..

(40) 26. Figura 9. Carcasa pluviómetro. Dimensiones en [mm]. Vaso Colector. Es un recipiente en forma de embudo construido en aluminio, que por su forma permite el fácil deslizamiento de las gotas de lluvia, hacia la válvula de paso. Su capacidad de almacenamiento es de hasta 3 litros y para su diseño se consideró la facilidad de construcción en el mercado colombiano y las precipitaciones máximas de Bogotá, de los últimos diez años, pertenecientes a la estación meteorológica Santa María de Usme, por su proximidad a la zona en donde se instalará el pluviómetro, ofrecidas por el IDEAM. (Ver Figura 10).. Figura 10. Vaso Colector pluviómetro. Dimensiones en [mm].

(41) 27. Válvula de paso. Éste sistema construido en aluminio, se encarga de reducir el área de salida del agua, para que sea el peso de ésta quien mueva el balancín y no los golpes de la misma al caer. Para su diseño se consideró el diámetro de salida del vaso colector (29 mm) y una configuración en forma de “T” en la salida del agua que mantiene un chorro aproximadamente constante ante las variaciones de la intensidad de lluvia. Debido a que el agua solo debe salir por los agujeros en forma de “T” se le han instalado a la válvula dos O´RING que garantizan un sello mecánico entre la base interna del cuello del vaso colector y la periferia de la válvula. Adicionalmente cuenta con un filtro de acero inoxidable, recubierto por una capucha de aluminio, para impedir el ingreso de residuos al balancín. Por su construcción mecánica su manipulación en mantenimientos de limpieza es muy sencilla. La capucha se ensambla a presión sobre la válvula de paso y ésta a su vez se asegura al vaso colector con el anillo de ajuste. (Ver Figura 11).. Figura 11. Despiece de la válvula de paso pluviómetro. Balancín. Un ligero recipiente de acero inoxidable en lámina calibre 30, que está dividido en dos compartimientos y que se halla en equilibrio inestable con respecto a un eje horizontal de acero, ensamblado de tal manera que el rozamiento es mínimo gracias a que la superficie de.

(42) 28. contacto de dicho eje con dos tornillos de ajuste es de tan solo 0,3 mm. Su función radica en generar un movimiento con una determinada cantidad de agua (2.5 cm3 o 0,125 mm), movimiento que será detectado por un optointerruptor para que la señal generada sea manejada por un sistema electrónico. (Ver Figura 12).. Figura 12. Balancín pluviómetro. Tornillos de calibración: Son dos tornillos de acero inoxidable cuyo propósito es el de mantener el balancín a un determinado grado de inclinación, para que sea el peso del agua precipitada la que saque de equilibrio a dicho balancín. A mayor grado de inclinación del balancín se requiere una mayor cantidad de agua para vencer el equilibrio de éste. Base de soporte: La base está construida en acero inoxidable y se encarga de mantener el anillo superior del pluviómetro o bisel a una altura de 1.50 m (requerimiento de la O.M.M.). También permite la nivelación del dispositivo en terrenos inclinados y sirve como soporte de la caja de circuitos y conexiones..

(43) 29. Caja de Circuitos: Consiste en un compartimiento plástico con protección para intemperie IP65 que protege el sistema electrónico de la humedad. Adicionalmente, reciben los conductores de alimentación eléctrica y de entrada-salida de señal por medio de prensa cables con protección IP65. (Rojas & Romero, 2010). 3.1.2 Sistema de adquisición de datos Tarjeta de adquisición La adquisición de datos se realiza bajo la plataforma Arduino y sobre la tarjeta de adquisición de datos Arduino1R3 (ver figura 13) que es un desarrollo construido sobre el microcontrolador ATmega328P. Cuenta con 14 pines digitales de entrada / salida (de los cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM), 6 entradas analógicas, una conexión USB, un conector de alimentación y un botón de reinicio. Las características incluyen fácil acceso I / O, operación de bajo consumo de batería, un factor de gestión integrado en la interfaz de depuración para la programación y desarrollo de software de terceros. Se puede utilizar sin costo alguno, con pleno acceso en línea, lo que significa que no hay descargas, instalaciones o licencias y una comunidad activa de desarrolladores. (Arduino, 2015) En la tabla 6 se presentan las características más destacadas de dicha tarjeta.. Figura 13. Tarjeta de adquisición de datos: Arduino 1R3.

(44) 30. Tabla 6. Especificaciones técnicas. Arduino 1R3. COMPONENTE. ESPECIFICACIÓN TÉCNICA. Micro controlador. ATmega328P. Voltaje de operación. 5V. Voltaje de entrada (Recomendado). 7-12V. Voltaje de entrada (Limite). 6-20V. Pines de entrada/salida digital. 14 (con 6 de salida PWM). Pines de entrada/salida digital PWM. 6. Pines de entrada análoga. 6. Memoria. 32 KB ATmega328P. Nota. Recuperado de https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno. Interfaz gráfica El software utilizado para el diseño de la interfaz gráfica herramienta. es MatLab, junto con la. GUIDE, que es un entorno de programación visual para realizar y ejecutar. programas que necesiten ingreso continuo de datos. Tiene las características básicas de todos los programas visuales como Visual Basic o Visual C++. (Barragan, 2013) Es compatible con la tarjeta de adquisición de datos Arduino 1R3 y permite el control en tiempo real para visualizar, almacenar y procesar los datos de los diferentes sensores. Adicionalmente, ofrece al usuario la facilidad para apreciar en tiempo real el comportamiento de las diferentes variables medidas por la estación radiométrica y acceder a la base datos generada por el WorkSpace de MatLab a través de una hoja de cálculo. Puesto que el proyecto curricular en Ingeniería Eléctrica por Ciclos Propedéuticos no cuenta actualmente con la licencia del programa Matlab, se trabajó con el software del proyecto curricular en Ingeniería Electrónica que cuenta con la licencia..

(45) 31. 3.1.3 Montaje de la Estación Radiométrica según la Organización Meteorológica Mundial (OMM). Basados en la documentación expuesta por la Organización Mundial de Meteorología (OMM No. 8, 1996, 1.3.2), los observadores meteorológicos son necesarios por varias razones: . Para efectuar las observaciones sinópticas y climatológicas con la debida precisión, utilizando los instrumentos apropiados.. . Para mantener los instrumentos y los emplazamientos en buen estado.. . Para codificar y enviar las observaciones.. . Para mantener dispositivos de registro en sitio, incluido el cambio de mapas.. . Para hacer y cotejar registros semanales y/o mensuales de datos climatológicos cuando no se dispone de sistemas automáticos o estos son inadecuados.. . Para proporcionar observaciones suplementarias o de reserva cuando el equipo automático no hace las observaciones de todos lo elementos requeridos o cuando está fuera de servicio.. Sin embargo, cabe mencionar que las estaciones automáticas registran el comportamiento de las variables meteorológicas en todo instante (de acuerdo al tiempo de muestreo) y la cantidad de datos suministrados es mucho mayor permitiendo análisis más acertados. Adicionalmente, no se requiere personal en el sitio de emplazamiento para hacer lecturas (excepto en los mantenimientos), se eliminan los errores de paralaje y pueden ser instaladas en lugares remotos. No obstante, se deben tener en cuenta las siguientes consideraciones al elegir el emplazamiento (lugar donde está colocada la estación) y considerar los requisitos que se deben.

(46) 32. cumplir sobre la exposición de los instrumentos (tomado de: Guía de Instrumentos y Métodos de Observación Meteorológicos, OMM, sexta edición, 1996): . Los instrumentos exteriores deben instalarse en un terreno llano, aproximadamente de 10 por 7 metros (el recinto), cubierto de hierba baja, o de 15 una superficie representativa de la localidad, rodeada de una cerca para impedir el acceso a personas no autorizadas, en el recinto se reserva una parcela de 2 por 2 metros para mediciones referidas al estado del suelo.. . No debe haber laderas inclinadas en las proximidades, y el emplazamiento no debe encontrarse en una hondonada. Si no se cumplen estas condiciones las observaciones pueden presentar peculiaridades de significación puramente local.. . El emplazamiento debe estar suficientemente alejado de árboles, edificios, muros u otros obstáculos. La distancia entre cualquiera de esos obstáculos (incluidas las vallas) y el pluviómetro no debe ser inferior al doble de la altura del objeto por encima del borde del aparato y preferentemente debe de cuadriplicar la altura.. . El registrador de radiación solar, el pluviómetro y el anemómetro deben de encontrase en emplazamientos con exposiciones que satisfagan sus requisitos, y en el mismo lugar que los otros instrumentos.. . Emplazamientos muy abiertos sin ningún tipo de obstáculos cercanos, satisfactorios para la mayoría de los instrumentos aunque son inapropiados para los pluviómetros. En estos lugares la captación del agua es reducida, salvo con vientos débiles, y se necesita algún grado de protección.. A parte de esto la OMM recomienda que los instrumentos manuales deben estar dentro de una garita (en este caso, especie de caja protectora) que tenga las siguientes características:.

(47) 33. . De madera, pintada de blanco y esmaltada para reflejar bien la radiación.. . Con buena ventilación.. . Con techo doble y circulación del aire entre los dos tejados para evitar el calentamiento del aire cuando la radiación es muy intensa.. . La puerta debe estar orientada al Norte en nuestro hemisferio, para evitar que al realizar las observaciones los rayos solares incidan sobre los instrumentos.. . Con techo suficientemente inclinado para dejar escurrir el agua de lluvia la inclinación puede variar de acuerdo a la cantidad de lluvia del sitio. (Castro, 2008). 3.2 Adecuación mecánica y acondicionamiento de señal.. eléctrica. de. sensores. y. Se hizo necesario adecuar mecánicamente los sensores suministrados por el Grupo de Investigación “Astro UD Sabio Caldas” de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas debido a la necesidad de acoplarlos a una única estructura mecánica de soporte. La adecuación eléctrica se realizó debido a la necesidad de alimentar eléctricamente a los sensores con una fuente única para garantizar un bajo consumo eléctrico de la estación, reducir las interferencias electromagnéticas de varias fuentes energizadas simultáneamente y optimizar el espacio. Por otro lado, fue necesario para el uso del sistema de adquisición de datos estandarizar las señales generadas por cada sensor a digitales, con variaciones entre 0 y 5 VDC, para llevar a cabo la comunicación en tiempo real entre los sensores y el PC..

(48) 34. 3.2.1 Sensor de radiación solar global (piranómetro) Estado inicial: (Figura 14) 1. Fuente de alimentación eléctrica: Este dispositivo se compone de un transformador y una etapa de rectificación y filtrado que al ser energizado se evidencia ruido eléctrico. Adicionalmente no presenta las condiciones adecuadas para ser instalada a la intemperie. 2. Transductor: Conformado por un fotodiodo integrado OP910W (OPTEK_data/OP910W, 2015) que al momento de realizar pruebas de funcionamiento no generó señales de tensión en función con las variaciones de radiación. 3. Estructura física: Construida en acero inoxidable con una tapa en teflón resistente a la intemperie, a los rayos ultravioleta y a vibraciones (Cely & Guerrero, 2008). Mejoras y estado final: 1. La fuente de alimentación es suspendida y reemplazada por una única fuente conmutada que alimenta toda la estación radiométrica. La ventaja presentada consiste en la eliminación de ruido eléctrico que afecta la señal generada por el fotodiodo ante cambios en la radiación. 2. El fotodiodo averiado es reemplazado por otro componente de la misma referencia. Se introduce una nueva etapa de amplificación con un amplificador para instrumentación AD620 (AD, 2015), (figura 15), que incrementa la señal de salida del fotodiodo de 100 mVDC a 2 VDC (ver tabla 7).requeridos por la tarjeta de adquisición de datos Arduino 1R3..

(49) 35. 3. A nivel estructural se utilizó una resina epóxica para sellar herméticamente la unión entre el difusor de teflón y la carcasa de acero inoxidable. Se adicionaron tornillos de anclaje a la estructura principal de la estación para aumentar la estabilidad del equipo. Se construyó un soporte para los circuitos electrónicos que ofrece estabilidad mecánica y aislamiento eléctrico a los circuitos electrónicos desarrollados. (Ver figura 5). Tabla 7. Condiciones de operación amplificador AD620A PARÁMETRO Rango de ganancia Alimentación eléctrica Salida Temperatura de operación Disipación de energía Error de ganancia Respuesta dinámica. CONDICIÓN A 25 °C, Vs=±15V. RL=2kΩ Vs. Voltaje de fuente RL=10kΩ, Vs=±2.3V a ±5V Rendimiento especificado Interna Vout=±10V, G=1000 Señal baja de -3 dB, G=1000. MIN 1 ±2.3. TIP. -Vs+1.1. MÁX 10000 ±18. UNIDAD. +Vs-1.2. -40. +85 650 0.40 12. 0.70. Nota. Recuperado de http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD620.pdf. Figura 14. Estado inicial Vs estado final para el sensor de radiación solar global (piranómetro). V V °C mW % kHz.

(50) 36. Figura 15. Circuito de amplificación de señal de medidores de radiación. 3.2.2 Sensor de radiación UV-B Estado inicial: (Figura 16) 1. Fuente de alimentación eléctrica: Este dispositivo se compone de un transformador y una etapa de rectificación y filtrado que al ser energizado se evidencia ruido eléctrico. Adicionalmente no presenta las condiciones adecuadas para ser instalada a la intemperie. 2. Transductor: Conformado por un fotodiodo integrado UVD30A (fotodiodo, 2015) que supero todas las pruebas de funcionamiento generando señales de tensión en función con las variaciones de radiación. 3. Estructura física: Construida en acero inoxidable con una tapa en teflón de 5mm de espesor. Esta estructura ha sido diseñada para para soportar la exposición a condiciones ambientales y que al mismo tiempo actué como una Jaula de Faraday, con el fin de evitar tensiones inducidas debido a campo eléctrico remanente en el circuito. Con una base circular y un cuerpo cilíndrico hueco en el interior, donde está ubicado el circuito de pre amplificación (Ballesteros & Cortes, 2009)..