UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE PACHUCA

MAESTRÍA EN MECATRÓNICA

INSTRUMENTACIÓN

CONSTRUCCIÓN DE UNA ESTACIÓN METEOROLÓGICA

BÁSICA

DOCENTE:

M. en C. LUIS FIDEL CERECERO NATALE

ALUMNA:

BLANCA GODÍNEZ CARDOZA

PERIODO:

ENERO – ABRIL 2015

Instrumentación

2

1. INTRODUCCION

Una estación meteorológica es el lugar donde se realizan mediciones y observaciones

puntuales de los diferentes parámetros meteorológicos utilizando los instrumentos

adecuados para así poder establecer el comportamiento atmosférico. Por ejemplo, en la

figura 1 se puede ver una estación meteorológica profesional PCE-FWS20 que es capaz

de medir temperatura interior y exterior en grados Celsius o Fahrenheit, Humedad

relativa interior y exterior, presión atmosférica, pluviometría, velocidad y dirección del

viento, punto de rocío, etc.

Figura 1. Estación meteorológica PCE-FWS20

Los instrumentos más comunes y variables que se miden en una estación meteorológica

incluyen:

Termómetro: Instrumento que mide la temperatura en diversas horas del día.

Instrumentación

3

Termómetros de subsuelo (geotermómetro): Para medir la temperatura a 5, 10, 20, 50

y 100 cm de profundidad.

Termómetro de mínima junto al suelo: Mide la temperatura mínima a una distancia de

15 cm sobre el suelo.

Termógrafo: Registra automáticamente las fluctuaciones de la temperatura.

Barómetro: Mide la presión atmosférica en la superficie.

Pluviómetro: Mide la cantidad de agua caída sobre el suelo en forma de lluvia, nieve o

granizo.

Psicrómetro o higrómetro: Medida de la humedad relativa del aire y

la temperatura del punto de rocío.

Piranómetro: Medida de la radiación solar global (directa + difusa).

Heliógrafo: Medida de las horas de luz solar.

Anemómetro: Medida de la velocidad del viento.

Veleta: Instrumento que indica la dirección del viento.

Nefobasímetro: Medida de la altura de las nubes, pero sólo en el punto donde éste se

encuentre colocado.

Dentro de la medición del tiempo existe una gama muy amplia de estaciones

meteorológicas. La estación que se desarrolló en el presente proyecto podrá medir 4

variables meteorológicas:

1. Temperatura ambiente

2. Humedad relativa

3. Presión atmosférica

4. Velocidad del viento

A continuación se describe cada una.

Instrumentación

4

TEMPERATURA AMBIENTE

Temperatura ambiente es la temperatura que se puede medir con un termómetro y que

se toma del ambiente actual, por lo que, si se toma de varios puntos en un área a un

mismo tiempo puede variar.

Esto es debido a que una temperatura tomada en un ambiente tan frío como lo es el Polo

Norte, donde la temperatura sería bajo cero (si se mide en grados Fahrenheit o en

Centígrados), no será igual a una tomada en un lugar tan cálido como un desierto donde la

temperatura estaría muy por encima del cero.

Para cálculos científicos, la temperatura ambiente es usualmente tomada como 20 ó 25

grados Celsius (293 ó 298 Kelvin, 68 ó 77 grados Fahrenheit).

HUMEDAD RELATIVA

La humedad relativa es la cantidad de humedad en el aire comparada con la que el aire

puede "mantener" a esa temperatura. Cuando el aire no puede "mantener" toda la

humedad, entonces se condensa como rocío.

Por ejemplo, si la humedad es del 50% a 23 ° C, esto implicaría que el aire contiene 50%

del nivel máximo de vapor de agua que podría mantener a 23 ° C. 100% de humedad

relativa, indica que el aire está en la máxima saturación.

PRESIÓN ATMOSFÉRICA

La presión atmosférica se debe al peso del aire sobre un cierto punto de la superficie

terrestre por lo tanto, es lógico suponer que cuanto más alto esté el punto, tanto menor

será la presión, ya que también es menor la cantidad de aire que hay por encima.

Si tomamos como referencia el nivel del mar donde a la presión atmosférica le asignamos

un valor de 1 atm. En una cumbre situada a unos 1 500 metros sobre el nivel del mar, la

presión atmosférica vale aproximadamente 0,83 atm, es decir, la presión disminuye con la

Instrumentación

5

altura, por lo tanto, cuanto mayor sea la altura de la superficie terrestre respecto al nivel

del mar, menor es la presión del aire.

Figura 2. Comparación de presión a diferentes alturas

VELOCIDAD DEL VIENTO

La velocidad del viento es la velocidad con la que el aire de la atmósfera se mueve sobre la

superficie de la tierra. La velocidad y el vector (dirección en la que el viento se desplaza)

del viento tienen un gran impacto en el clima de la tierra.

Cerca del suelo, la velocidad es baja, aumentando rápidamente con la altura. Cuanto más

accidentada sea la superficie del terreno, más frenará ésta al viento. Es por ello que sopla

con menos velocidad en las depresiones terrestres y más sobre las colinas. No obstante, el

viento sopla con más fuerza sobre el mar que en la tierra.

Otras fuerzas que mueven el viento o lo afectan son la fuerza de gradiente de presión,

el efecto Coriolis, las fuerzas de flotabilidad y de fricción y la configuración del relieve.

2. OBJETIVO

Construir una estación meteorológica básica que mida 4 parámetros:

1. Temperatura

2. Humedad relativa

3. Presión barométrica

4. Velocidad del viento

Instrumentación

6

El desarrollo se llevará a cabo utilizando la tarjeta de desarrollo Arduino Leonardo y los

resultados de las mediciones serán visualizados a través del puerto serial.

3. DESARROLLO

3.1 ESPECIFICACIONES DE LOS SENSORES

SENSOR CARACTERÍSTICAS

LM35DZ

Voltaje de operación 4 a 30 V

Rango de medición 0°C a 150°C

Resolución 10 mv/°C

Voltaje de salida 0 a 5 V

MCP9701

Voltaje de operación 3.1 a 5.5 V

Rango de medición -10°C a 125°C

Resolución (Tc) 19.5 mv/°C

Voltaje de salida (Vout) 0 a 5 V

Voltaje a 0°C (V0°C) 400 mV

Función de transferencia Vout = Tc*Ta+V0°C

HMZ-433A1

Voltaje de operación 5V ± 5%

Rango de medición 95% HR o menor

Temperatura 0°C a 60°C

Voltaje de salida 0 a 3.3 V

MPX5500

Voltaje de operación 4.75 a 5.25 V

Rango de medición 0 a 500 KPa

Resolución (Tc) 9 mv/KPa

Voltaje de salida (Vout) 0.2 a 4.7 V

Función de transferencia Vout = Vs*(0.0018*P+0.04)±e

ENCODER YUMO

E6B2-CWZ3E

Voltaje de operación 5 a 12 V

Número de pulsos 1024 P/R

Velocidad de giro 6000 RPM

Tabla 1. Especificaciones de los sensores utilizados

Instrumentación

7

3.2 ECUACIONES DE CARACTERIZACIÓN

SENSOR DE TEMPERATURA LM35DZ

Dado que el sensor HMZ-433A1 utiliza un rango de temperatura de 0°C a 60°C, es

necesario hacer una caracterización del sensor de temperatura y establecer el rango de

medición de 0°C a 60°C utilizando la siguiente relación y de acuerdo a la resolución del

sensor de 10mV/°C.

0°C 0mV 0V

60°C 600mV 5V

Figura 3. Gráfica de ajuste del sensor LM35DZ

De acuerdo con la Figura 3 podemos calcular la ganancia utilizando la siguiente relación:

5

600

VG

mV

8.333G

Utilizando la configuración de amplificador no inversor de la figura 4 se calcula el valor de

las resistencias:

Figura 4. Amplificador Operacional en configuración de No Inversor

Instrumentación

8

2

1

1R

GR

2

1

1 8.333R

R

Se propone 2 10R K

1

101 8.333

K

R

1 1364R

Se buscan valores comerciales de resistencias:

1 1 330R K

101

1330

8.518

real

real

KG

G

La ganancia de Arduino es:

SENSOR DE TEMPERATURA MCP9701

Para el segundo sensor de temperatura que tiene la capacidad de medir temperaturas

tanto negativas como positivas se consultó la función de transferencia en el Datasheet.

0 Cout C AV T T V

Donde:

outV es la variación de voltaje en el sensor

CT es el coeficiente de temperatura (19mv/ C )

AT es la temperatura ambiente, es decir, el valor que queremos calcular

0 CV es el voltaje del sensor a una temperatura de 0 C

Consultando el datasheet se encontraron los valores de CT y 0 CV :

6012

5C

C

V

CG

V

Instrumentación

9

0

19

400

C

C

mVT

V mV

C

Finalmente la Temperatura ambiente se puede calcular con la siguiente relación:

0outA

C

CV VT

T

SENSOR DE HUMEDAD HMZ-433A1

El sensor de humedad HMZ-433A1 mide la Humedad Relativa en base a la temperatura

ambiente. La tabla 2 muestra la respuesta del sensor ante diferentes valores de

temperatura.

10 ᴼ C 15 ᴼ C 20 ᴼ C 25 ᴼ C 30 ᴼ C 35 ᴼ C 40 ᴼ C

20 % RH 0.75 0.72 0.69 0.66 0.62 0.59 0.55

30 % RH 1.03 1.00 1.00 0.99 0.96 0.93 0.90

40 % RH 1.32 1.30 1.31 1.32 1.30 1.28 1.25

50 % RH 1.64 1.63 1.64 1.65 1.64 1.63 1.61

60 % RH 1.97 1.97 1.98 1.98 1.98 1.98 1.96

70 % RH 2.30 2.30 2.31 2.31 2.31 2.31 2.30

80 % RH 2.64 264 2.63 2.64 2.63 2.63 2.61

90 % RH 2.97 2.96 2.94 2.97 2.94 2.92 2.90 Tabla 2. Humedad VS Temperatura

Para obtener el modelo matemático del sensor se utilizó Matlab. Primero se graficaron las

curvas para cada valor de humedad en función de la temperatura utilizando los datos de la

tabla 2. El código se muestra a continuación.

RH=[20 30 40 50 60 70 80 90];

v10=[0.75 1.03 1.32 1.64 1.97 2.3 2.64 2.97];

v15=[0.72 1 1.3 1.63 1.97 2.3 2.64 2.96];

v20=[0.69 1 1.31 1.64 1.98 2.31 2.63 2.94];

v25=[0.66 0.99 1.32 1.65 1.98 2.31 2.64 2.97];

v30=[0.62 0.96 1.3 1.64 1.98 2.31 2.63 2.94];

v35=[0.59 0.93 1.28 1.63 1.98 2.31 2.63 2.92];

v40=[0.55 0.9 1.25 1.61 1.96 2.3 2.61 2.9];

figure(1)

hold on

plot(v10,RH)

plot(v15,RH,'r')

plot(v20,RH,'g')

Instrumentación

10

plot(v25,RH,'k')

plot(v30,RH,'c')

plot(v35,RH,'y')

plot(v40,RH,'m')

grid on

xlabel('V')

ylabel('% HR')

title ('Voltaje VS Humedad')

legend ('10 ºC','15 ºC','20 ºC','25 ºC','30 ºC','35 ºC','40

ºC')

x=1.3;

Figura 5. Voltaje VS Humedad

Para obtener el modelo matemático se usa la función polyfit, la cual devuelve un polinomio de segundo grado que describe el comportamiento de la gráfica. El código se muestra a continuación.

figure(2)

plot(v20,RH)

%Cálculo del modelo matemático

A20= polyfit(v20,RH,2)

MOD20=30.8316*x -0.8822;

hold on

grid on

x=[0.72:0.1:3];

for i=1:length(x)

Instrumentación

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MOD20(i)=30.8365*x(i) -0.8822;

end

plot(x,MOD20,'r')

title ('Voltaje vs Humedad a 20ºC')

xlabel('V')

ylabel('% HR')

legend ('Experimental','Modelo')

La gráfica comparativa de humedad relativa (HR) real VS HR del modelo matemático se muestra en la figura 6.

Figura 6. Gráfica comparativa de HR real vs la HR estimada por el modelo

SENSOR DE PRESIÓN MPX5500

Para hacer la medición de la presión se utilizó la hoja de datos proporcionada por la hoja

de datos del fabricante:

*(0.0018* 0.04)out sV V P error

Despejando obtenemos la ecuación para calcular la presión.

0.04

0.0018

out

s

V error

VP

Instrumentación

12

Donde:

outV es el valor de voltaje que se obtiene a la salida del pin 1 del sensor

sV es el voltaje de alimentación, igual a 5V

La ecuación se introdujo al código de Arduino.

ENCODER YUMO E6B2-CWZ3E

3.3 DISEÑO ESQUEMÁTICO DEL CIRCUITO

Figura 7. Diagrama eléctrico

Instrumentación

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3.4 DISEÑO DE LA PCB

El diseño de la PCB fue realizado en el software Eagle. Los resultados se muestran a

continuación.

Figura 8. Diseño final de la PCB

3.5 CÓDIGO DEL PROGRAMA

int cnt=0;

void setup()

{

Serial.begin(9600);

}

void loop() {

//Declaración de pines para los sensores

const int st1 = analogRead(A0);

const int st2 = analogRead(A1);

const int shr = analogRead(A2);

const int spr = analogRead(A3);

Instrumentación

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pinMode(7,INPUT);

float vt1, vt2, vhr, vpr, vvv;

float t1, t2, hr, pr, vv;

long sensorhr;

float supply=5.0;

//Cálculo de la Temperatura 1

vt1 = (st1*5000L)/1023;

t1 = vt1/10;

//Cálculo de la Temperatura 2

//Función de transferencia: Vout = Tc*Ta+V0°C

//donde V0°C = 400mv y Tc = 19.5mv/°C

vt2 = (st2*5000L)/1023;

t2 = (vt2-400)/19.5;

//Cálculo de la Humedad relativa

vhr = (shr*5.0)/1023;

//hr = ((161.0*vhr)/(5.0 - 25.8))/(1.0546-(0.0026*t1));

hr = (30.8365*vhr)-0.9683;

//Cálculo de la Presión

//Función de transferencia: Vout = Vs*(0.0018*P+0.04)+-Error

//Donde Vs = 5 Vdc

vpr = (spr*4500L)/1023;

pr = ((vpr/5L)-0.04)/0.0018);

//Cálculo de la Velocidad del viento

if (digitalRead(7) == HIGH)

{

if(digitalRead(7)== LOW)

{

cnt++;

}

}

Instrumentación

15

Serial.print("T1 = " );

Serial.print(t1);

Serial.print(" grados ");

Serial.print(" T2 = " );

Serial.print(t2);

Serial.print(" grados ");

Serial.print(" HR = ");

Serial.print(hr);

Serial.print(" % ");

Serial.print(" Presion = " );

Serial.print(pr);

Serial.print(" KPa ");

Serial.print(" Velocidad del viento = " );

Serial.print(cnt);

Serial.println(" RPM ");

delay(200);

}

Figura 9. Diseño final del circuito

Instrumentación

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Figura 10. Parámetros obtenidos de la estación meteorológica

4. CONCLUSIONES

Se concluye que los resultados obtenidos son correctos, pues se utilizaron 2 sensores de

temperatura y éstos tuvieron solo pequeñas variaciones, además de que el valor de

humedad concuerda con los valores mostrados en la tabla 2.

5. BIBLIOGRAFÍA

www.ecured.cu

www.cienciaxplora.com

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu