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Sistema inalámbrico para medición de evaporación de agua

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Academic year: 2022

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Sistema inalámbrico para medición de evaporación de agua

J. V. Castañeda G.1, F. Flores G.1 M. de la Rosa R.1, J. E. Frias R.2.

1 Instituto Tecnológico de la Laguna, Blvd. Revolución y Clzda. Cuauhtémoc CP 27000, Torreón Coahuila, México. 2 Instituto Tecnológico de Torreón. Carretera Torreón – San Pedro km 7.5, Torreón

Coahuila, México.

juliovladimir@hotmail.com, francisco.floresgarcia@gmail.com Resumen

La producción agrícola en la región lagunera de Coahuila y Durango (México) requiere de grandes cantidades de agua, convirtiéndose en un problema debido a la escasez del vital líquido. El tipo de clima árido agrava el problema ya que el recurso que se utiliza como agua de riego se pierde en gran medida por el proceso natural de evaporación. La instrumentación electrónica y la implementación de redes de comunicación inalámbricas ofrecen una alternativa para monitorear las condiciones de clima adecuadas para el riego. El prototipo desarrollado se compone de 4 etapas: sensado, adquisición de datos, transmisión de datos y proceso de los mismos. Para la etapa de sensado se utilizó un sensor ultrasónico que posee un rango de medición de 30 a 500 milímetros, y ofrece dos salidas, una voltaje y otra de corriente y posee una resolución de medición en milímetros. Para la adquisición de datos se utilizó un microcontrolador del tipo PIC (Peripherial Interface Controller) 16F876 con el cual se hace un pretratamiento de la señal del sensor. La etapa de transmisión inalámbrica se realizó con módulos XBee Pro que poseen un alcance de hasta 60 metros en interiores y hasta 1000 metros en exteriores con condiciones ideales de ambiente. Para el procesamiento y presentación de la señal obtenida del sensor se diseñó una interfaz gráfica en LabView la cual genera una gráfica instantánea de valores (tiempo real) y guarda la información en archivos históricos fechados para tener un monitoreo de la variable. Tradicionalmente la medición de la evaporación se realizaba de forma presencial donde el personal tomaba la lectura en los tanques estándares mediante micrómetros.

Palabras clave: Evaporación de agua, transmisión inalámbrica, Microcontroladores PIC.

Introducción

El presente trabajo presenta el diseño de un dispositivo destinado a medir ultrasónicamente la cantidad de agua que se pierde por evaporación en el seno de la atmósfera, los datos del sensor son adquiridos por un microcontrolador del tipo PIC (por sus siglas en inglés Peripherial Interface Controller), el cual administra los datos recibidos, automáticamente envia los niveles de medición de forma inalámbrica por medio del protocolo de comunicación XBee. Los datos serán recibidos en una computadora personal en donde se almacenan en una base de datos a la cual tendrán acceso los supervisores de los cultivos e invernaderos.

La evaporación es un proceso físico por el cual determinadas moléculas de agua aumentan su nivel de agitación por el incremento de temperatura, y si están próximas a la superficie libre, escapan a la atmósfera.

Inversamente otras moléculas de agua existentes en la atmósfera, al perder energía y estar próximas a la superficie libre pueden penetrar en la masa de agua. Se denomina

evaporación el saldo de este doble proceso que implica el movimiento de agua hacia la atmósfera.

La evaporación depende de la insolación, del viento, de la temperatura y del grado de humedad de la atmósfera. Por todo esto la evaporación contemplada en un período corto de tiempo es muy variable, no así cuando el ciclo a considerar es un año, en el cual la insolación total es bastante constante. Como dato, en zonas templadas continentales, la evaporación diaria en verano es del orden de 6 a 8 mm/día y en invierno puede ser casi despreciable.

La medida de la evaporación de una superficie de agua se realiza por medio de equipos constituidos a base de tanques o bandejas de evaporación, los cuales reflejan las características de inercia térmica, humedad, viento, etc., de la zona que se quiere medir.

Existen varios tipos, todos ellos con una superficie del orden de 1 a 2 m2, y que se sitúan llenos de agua en la zona a medir. Todos ellos deben disponer de un pluviómetro ya que la evaporación neta debe excluir el aporte de agua por precipitación.

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La evaporación se mide como volumen de déficit en el tanque, por lo que deben disponer de una medida precisa para el nivel del agua dentro del tanque.

- de superficie; tienen el problema de recibir mayor radiación térmica por las paredes así como de tener menos inercia térmica y de perturbar el régimen de viento en su entorno.

- enterrados; no tienen los problemas anteriores pero por otra parte, es más fácil que se introduzcan en ellos cuerpos extraños.

- flotantes; se han intentado utilizar en los embalses pero presentan graves dificultades de medida así como problemas con el oleaje.

Todos los tipos deben ser protegidos de los animales y aves por medio de mallas ya que acuden a ellos a beber. Las medidas en tanque son mayores que las reales definiéndose un coeficiente del tanque “k”, tal que k = (evaporación real / evaporación en el tanque); k oscila entre 0,7 y 0,9 y es casi constante para cada tipo de tanque.

Entonces se requiere de una metodología y una ecuación que involucre las variables que afectan a la evaporación. El método más preciso para el cálculo de la evaporación es el método combinado, aerodinámico y balance de energía. Se calcula como (1).

E = Δ / (Δ + γ)·EE + γ / (Δ + γ)·EA (1) Donde, Δ y γ son constantes y sus unidades son (Pa/°C), EE es la evaporación obtenida por el método de balance de energía (2), y EA es la evaporación obtenida por el método aerodinámico (3).

E = Rn / (Lv·fw) mm/día (2)

Donde LV = (2.501x106 – 2370 (TaH2O) J/Kg Rn la radiación luminosa neta (W/m2) fw la densidad del agua (Kg/m3)

E = B·(Pa – P) = (0,102·v) / [Ln(z/z0)]2 (3)

Donde B es el coeficiente de transporte de vapor, z es la altura de rugosidad en el medio a medir, z0 es la altura de rugosidad en superficies naturales (equivalente a una resistencia), Pa es la presión de vapor de agua en milímetros de Hg, P es la presión de vapor del aire en mm de Hg y v es la velocidad del viento en Km/h a una altura z.

A partir de este dato los productores pueden calcular la evapotranspiración de las plantas, el cual es un factor importante en la toma de decisiones de riego, fertilización y tratamiento de los cultivos.

Materiales y Métodos

Se utiliza un Tanque Clase "A". Este es un tanque cilíndrico de lámina galvanizada, de 1,21 m de diámetro y 25 cm de profundidad. Se coloca sobre una plataforma de madera de 10 cm de alto, perfectamente horizontal.

Se mide el volumen de agua necesario para mantener el nivel constante, en la unidad de tiempo, que puede ser 6, 12 ó 24 horas. El volumen de agua consumido se transforma en mm de agua evaporada por unidad de tiempo.

Para llevar a cabo las mediciones de evaporación del agua del tanque, se adecuó un sensor ultrasónico de la marca Peperl+Fuchs Modelo: UC500-30GM-IUR2-V15 (Alemania 2003) el cual tiene un rango de detección de nivel de 30 a 500 milímetros y una zona muerta de 0 a 30 milímetros, el tiempo de respuesta aproximada es de 50 milisegundos y una frecuencia de conmutación de 10 Hz, su resolución máxima es de 0.13 milímetros lo cual ofrece la ventaja de tener un sistema con precisión de medida en milímetros. El sensor opera con una tensión de entrada que va desde los 15 hasta los 30 VDC, y su salida se puede manejar con 2 opciones, de 0 a 10VDC o de 4 a 20 mA (Figura 1).

Figura 1. Sensor Ultrasónico utilizado.

Para la adquisición de los datos que son enviados por el sensor ultrasónico, se implementó un sistema de límite de adquisición de 8 canales analógicos mediante el uso de un PIC16F876 el cual tiene una salida RS-232 que se conecta al XBee para su transmisión inalámbrica.

Para la transmisión inalámbrica se utilizó el XBee Pro, el cual trabaja en interiores hasta 60 metros y en exteriores hasta 1600 metros bajo condiciones ideales, tiene una potencia de transmisión de 63 mW y una sensibilidad receptora de -100 dBm así como una tasa de transferencia en Radiofrecuencia de 250 Kbps.

Cuenta con requerimientos de alimentación de 2.8 a 3.4 V y una corriente típica de transmisión de 250 mA, opera idealmente en el rango de temperatura de - 45°C a 85°C.

Para el manejo y muestra de los datos transmitidos se utilizó el software LabView, (National Instruments), en el cual se realizó la

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programación gráfica y se obtienen esquemas de procesos y aplicaciones de control.

El sensor se caracterizó para validar su respuesta colocándolo en una pieza metálica que lo sostiene sobre un contenedor de agua y variando el nivel (milímetro a milímetro) hasta cubrir todo el rango de funcionamiento (figura 2). Los resultados de la caracterización se muestran en la figura 6.

Figura 2. Montaje del sensor para caracterización.

Las figuras 3 y 4 muestran el diseño de los circuitos de alimentación y de la interfaz con el PIC, realizado con el software PROTEUS (LabCenter Inc., UK). La implementación del circuito completo se realizó en módulos independientes, lo cual permite que el mantenimiento sea más rápido y eficaz.

Figura 3. Diseño de la fuente de alimentación.

Figura 4. Diseño de la interfaz con PIC.

El diseño de la fuente considera varios voltajes de alimentación, necesarios para el sensor, la interfaz con PIC, y los módulos de transmisión y recepción de XBee.

La transmisión utiliza los módulos XBee que pueden ser programados a través de una hyperterminal y una interfaz serie con un MAX3232. Mediante un software de programación CTU se pueden programar todos los parámetros de los módulos (figura 5).

Figura 5. Módulo transmisor XBee.

Los módulos Xbee y Xbee Pro fueron diseñados para cumplir con los estándares de la IEEE 802.15.4 solo para satisfacer la necesidad del bajo costo de transmisión así como también el bajo consumo de energía en redes inalámbricas de transmisión de datos.

Figura 6. Caracterización del sensor. Comportamiento lineal,

0 2 4 6 8 10

6.1 7.1 8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1 16.1 17.1 18.1 19.1 20.1 21.1 22.1 23.1 24.1 25.1 26.1 27.1 28.1 29.1

Voltaje (V)

mm

V

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Resultados y Discusión

La transmisión se probó moviendo el receptor a distancia del sensor y se obtuvieron distancias de hasta 120 metros con obstáculos propios como paredes y edificios, y 250 metros en condiciones al aire libre.

En condiciones de laboratorio se añadió agua en el tanque para monitorear una variación y se obtuvieron las gráficas como en la figura 8.

Se colocó el sensor en el tanque y se dejó por una semana, con lo cual se obtuvieron gráficas y tablas que no variaron más de 3 mm. Cabe mencionar que el periodo de análisis estuvo con clima templado. Para validar la lectura del instrumento se colocó una regla en una de las paredes internas del tanque y se fue agregando agua hasta subir el nivel un milímetro y se verificó que la variación del sensor es de 0.022 V/mm. Se probó con varios voltajes de alimentación (15, 20, 25 y 30) y en todos se comportó normal.

La interfaz diseñada en LabView consta de un módulo de adquisición de datos, un visualizador numérico, otro gráfico y un arreglo de tabla para almacenarlos (figura 7).

Figura 7. Diagrama a bloques del instrumento virtual

La figura 8 muestra la pantalla del instrumento diseñado en LabView para el monitoreo de la evaporación.

Figura 8. Pantalla del instrumento diseñado en LabView 8.0 para registro de valores.

El instrumento genera la gráfica de valores y además un archivo en tabla que puede exportarse a cualquier base de datos para tener registros del comportamiento de la variable. El tiempo programado para realizar la lectura del sensor es de 10 milisegundos pero es configurable a tiempos más largos, ya que la evaporación real es un proceso lento.

Conclusiones

En las regiones áridas como la comarca lagunera los datos del comportamiento climático son indispensables para la planeación de actividades como la agricultura en la cual se involucra el uso de recursos vitales como el agua.

El uso de interfaces electrónicas con protocolos de transmisión inalámbrica permite realizar la medición de parámetros climáticos en tiempo real, reduciendo el error inherente al factor humano. La compatibilidad de los microcontroladores con sistemas electrónicos y de comunicación modernos es una ventaja añadida ya que ofrece la posibilidad de combinar los datos con tecnologías GIS (Sistemas de Información Geográfica) los cuales permitirán visualizar globalmente el comportamiento de variables climáticas con lo cual se planearía de manera más adecuada la agricultura de la región.

Agradecimientos

Agradecemos la aportación económica de becas para los alumnos de posgrado por parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT México.

Referencias

[1] Vargas Alister, Humberto. Correlación entre la evapotranspiración de alfalfa y trébol rosado y la evaporación de tres tipos diferentes de bandejas de evaporación. Tesis para optar al título de Ingeniero Agrónomo, Facultad de Agronomía, Universidad de Concepción. Chillán, Chile, 1963.

[2] Salgado Seguel, Luis Gabriel: Métodos para determinar evapotranspiración actual y potencial. Tesis para optar al título de Ingeniero Agrónomo. Facultad de Agronomía, Universidad de Concepción. Chillán, Chile, 1966.

[3] Merlet B., H.A.: Evapotranspiración potencial y necesidades netas de agua de riego en Chile. Tesis para optar al grado de Licenciado en Ciencias Agrícolas.

Escuela de Agronomía, Facultad de Ciencias Agrarias y Forestales, Universidad de Chile. Santiago, 1986.

[4] McKenney, M.S. y Rosenberg, N.J. (1993): Sensitivity of some potential evapotranspiration estimation methods to climate change. Agricultural and Forest Meteorology, vol. 64, págs. 81-110.

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[5] Gabriunas V. Apuntes de Electrónica. Universidad Distrital “Francisco José de Caldas”. 1999.

[6] Roncancio H., Velasco H. Una Introducción a Labview.

Semana de Ingenio y Diseño. Universidad Distrital

"Francisco José de Caldas". 2000.

Referencias

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