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INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LA LAGUNA

MAESTRÍA EN CIENCIAS DE LA INGENIERÍA ELÉCTRICA

Docente: Dr. Victor M. Cabrera MorelosAlumno: Ing. Guillermo Avila Elizondo

“LD-250 Ligthning Detector”

División de Estudios de Posgrado e Investigación

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Detector de Rayos LD-250

Antena Omnidireccional Goniométrica

Boltek LD-250

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Componentes Electromagnéticos del Rayo

Durante una descarga atmosférica, se producen variaciones de campo eléctrico y magnético que se propagan en una onda electromagnética a través del espacio.

Las magnitudes de campo producidas por una descarga se pueden calcular de acuerdo a las siguientes ecuaciones [Uman]:

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En el rángo de 1 a 10 kHz la radiación predominante en las descargas de nube a tierra son emitidas por el golpe de retorno. En las descargas en nubes los cambios K son fuente de radiación en baja frecuencia.

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A 100 kHz los golpes de retorno de las descargas de nube a tierra y los procesos K en las descargas en nubes aún proveen los más altos campos de radiación.

Brook y Kitagawa reportaron que el lider escalonado es una fuerte fuente de radiación de microondas, así como el dart-leader . También observaron que las descargas entre nubes pueden ser más fuertes radiadores de microondas que las descargas a tierra.

La amplitud pico para el espectro de frecuencia del golpe de retorno generalmente ocurre entre 3 y 7 kHz.

A 1 kHz la amplitud del campo radiado de la descarga a tierra es de alrededor de 40 veces la de descarga entre nubes, a 10 kHz alrededor de 10 veces que la de entre nubes.

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Método de Detección de Rayos

Las ondas electromagnéticas creadas por una descarga se irradian sobre un ancho de banda de frecuencia y se propagan en todas direcciones.

Las largas variaciones de corriente asociadas con los golpes de retorno en (CG) y los pulsos grandes en las descargas entre nubes son ampliamente observables en las regiones de espectro VLF y LF (Cummins).

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Sistemas Multiestación: El método estandard para localizar una descarga atmosférica usa (CRDF’s) en dos o más estaciones. Cada localizador direccional consiste en dos antenas de lazo verticales identicas, respectivamente orientadas norte-sur y este-oeste.

Otro método importante es el time-of-arrival (TOA), esta técnica mide la diferencia en los tiempos de arribo de las ondas producidas por un transitorio atmosférico en dos o más estaciones. Metodos de una sola estación: Las técnicas de una

sola estación combinan una antena goniométrica de lazo cruzado con algún parámetro medido del transitorio atmosférico indicativo de la distancia.

La magnitud de un TA es solo un crudo indicador de la distancia, principalmente debido a la variabilidad de la fuente (R.H. Golde).

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¿Cuál es el método usado por el LD-250?

Los equipos de localización de la compañia Boltek Corporation con sede en la ciudad de Buffalo en Nueva York, E.U., utilizan en combinación una antena goniométrica y un demodulador de señal que aplica el método de intensidad de señal para determinar la distancia a la fuente de interferencia.

Primeramente la radiogonimetría consiste en determinar el lugar del que procede una señal de RF. Las aplicaciones de estas técnicas son muy extensas, una de ellas es la localización de señales interferentes

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Esta técnica requiere una fuente de ondas electromagnéticas, es decir, un transmisor y un receptor, éste ultimo con un conjunto de antena capaz de captar, con el proceso que sea preciso, el sentido de procedencia de la Energía Electromagnética emitida.

Ángulo determinado por Goniometria.

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Un sensor goniométrico magnético utiliza dos antenas de lazo ortogonales. Una descarga distante produce un campo magnético horizontal B, que atraviesa la antena.

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La ley de faraday establece que la tensión a través del final abierto de la antena de lazo, será igual a la razón de cambio del flujo a través de la antena.

𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛=− 𝜕𝜕𝑡∫𝑠

❑

𝐵 ∙ �̂�𝑑𝐴

¿− 𝐴𝑐𝑜𝑠𝜃𝑑𝐵𝑑𝑡

Asumiremos que B es uniforme a través de la superficie de la antena. Esta señal de voltaje puede ser integrada para dar una señal que es proporcional a la B.

Un punto importante de la ecuación es que la señal de salida de la antena dependerá del lugar de la descarga con respecto al plano de la antena (el término cosΘ).

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Asumiremos que B es uniforme a través de la superficie de la antena. Esta señal de voltaje puede ser integrada para dar una señal que es proporcional a la B.

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Entonces el ángulo de llegada de una descarga atmosférica puede ser determinado usando las señales de dos antenas ortogonales.

La señal de salida es proporcional al coseno del ángulo de llegada.

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La señal del lazo E-O es proporcional al seno del ángulo de llegada.

𝑆𝑒 ñ𝑎𝑙 𝐸−𝑂𝑆𝑒 ñ𝑎𝑙 𝑁−𝑆

=𝑇𝑎𝑛𝜃

𝜃=𝑇𝑎𝑛− 1𝑆𝑒 ñ𝑎𝑙 𝐸−𝑂𝑆𝑒 ñ𝑎𝑙 𝑁−𝑆

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La raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las dos señales nos da la amplitud de campo B.

√(𝑆𝑒 ñ𝑎𝑙 𝐸−𝑂)2+(𝑆𝑒ñ 𝑎𝑙𝑁−𝑆)2=√𝐴𝑟𝑒𝑎2𝐵2𝐶𝑜𝑠2𝜃+𝑆𝑒𝑛2𝜃¿ 𝐴𝑟𝑒𝑎𝐵

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El arreglo de antenas más usado durante muchos años ha sido el del tipo Adcock, que consiste en dos pares de monopolos verticales (4 antenas) situadas ortogonalmente entre si y situadas a un máximo de ½ de longitu de onda de la frecuencia de trabajo.

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¿Cómo funciona el método de intensidad de señal?

Este método es comunmente usado para la localización de fuentes de interferencia en telecomunicaciones, principalmente en algunos metros a la redonda.

Consiste en establecer un rango de potencia normalizada (RNP) a cierta distancia y comparar con la intensidad de señal recibida para estimar la distancia del emisor.

Las unidades en que se mide la intensidad de señal son en (dBm).

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El funcionamiento es similar al de un osciloscopio de rayos catódicos. La antena es sensible al campo magnético irradiado por la descarga, y este a su vez, induce una tensión proporcional en la antena por medio de acoplamiento inductivo.

Modificado de Fig. 3 patente Storm Tracker.

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Para iniciar la secuencia de análisis, la configuración electrónica del dispositivo requiere un nivel mínimo de tensión inducida en la antena.

Modificado de Fig. 5C patente Storm Tracker.

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Conocido el campo éléctrico irradiado medido a cierta distancia en una banda de frecuencia, es posible conocer mediante el vector de Poynting la potencia instantanea por metro cuadrado. Supongamos los siguientes valores de intensidad de campo eléctrico a una distancia de 400 Km:

𝑃=|𝐸𝑧|2

𝜂

𝐸𝑧=500∗10−3𝑉𝑚

𝜂=120𝜋 [𝛺 ]

𝑃=66∗10−4𝑊102

Distancia desde el rayo hasta el punto de medición .

𝑃𝑟𝑎𝑑=𝑃 𝜋𝑟2

Estableciendo una potencia desarrollada por el rayo, podemos entonces determinar la distancia a la cuál se encuentra el emisor.

𝑟=√ 𝑃𝑟𝑎𝑑

𝑃 𝜋

𝑃𝑟𝑎𝑑=3∗108 [𝑊 ]

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¿Que significa el parámetro Energ mostrado en el software Lightning 2000?

Este es el parámetro adimensional Energy, y más que una medición de energía es una clasificación para la energía basado en las características de la forma de onda detectada a una escala tal que el promedio para una descarga es 1.

Tormentas más cercanas terminaran con una relación mayor a 1. Su proporción de energía es mayor a 100 %.

¿Y el parámetro Str?

Este parámetro se refiere a la intensidad de señal detectada, y aunque sus unidades debieran ser dBm, se refleja en p.u’s de la referencia de potencia.

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Ventajas y Desventajas del Equipo

Por su simplicidad, es ideal para usarse como equipo mobil en aeronaves o en tierra, y tener una idea de la magnitud de las tormentas y su cercania.

Es mucho más económico que un localizador especializado.

Las antenas goniométricas tienen margenes de error de entre 0.5 y 3 grados, lo cuál a grandes distancias se transforma en un error de kilómetros en la ubicación.

Es un equipo sensible a las interferencias electromagnéticas, la cercania a equipos electrónicos o lineas eléctricas de alta tensión pueden inducir tensiones y corrientes que provoquen falsas alarmas de descargas atmosféricas.

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Al no tomar en cuenta la variabilidad de la magnitud de corriente de las descargas atmosféricas, la localización de la descarga es una simple aproximación que puede confundir una descarga de gran tamaño a una distancia lejana, en una pequeña a corta distancia.

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¿Qué es lo que dice la Asociación Mundial de Meteorologia de los Localizadores

Autónomos?

“En el pasado un LLS no era fácilmente disponible, y su uso mobil, por ejemplo para uso en aeronaves, representa otra situación donde los LLS aún no estaban disponibles.Hoy en dia, más refinadas soluciones para aeronaves están disponibles que explotan la banda VHF (conocidos como Storm-Scope, Storm-Tracker); para relativamente fuertes golpes que dan tanto la dirección sin ambigüedades -180 y distancias aproximadas de hasta 300 km, pero no existen descripciones científicas. Además, una variedad de dispositivos portátiles y más simples están en el mercado, que son menos precisas y no se discutirán más”.