INFORME PASANTÍA GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL...
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INFORME PASANTÍA GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – GIFMAES: RECUPERACIÓN, PUESTA EN FUNCIONAMIENTO Y CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE HUMEDAD RELATIVA ATMOSFÉRICA DE LA ESTACIÓN DE FMA&ES ANDRÉS FELIPE LIMAS MONTAÑA UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN LICENCIATURA EN FÍSICA BOGOTA, D.C. MAYO DE 2017
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INFORME PASANTÍA GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – GIFMAES:
RECUPERACIÓN, PUESTA EN FUNCIONAMIENTO Y CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE HUMEDAD RELATIVA ATMOSFÉRICA DE
LA ESTACIÓN DE FMA&ES
ANDRÉS FELIPE LIMAS MONTAÑA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTA, D.C.
MAYO DE 2017
INFORME PASANTÍA GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – FMAES:
RECUPERACIÓN, PUESTA EN FUNCIONAMIENTO Y CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE HUMEDAD RELATIVA ATMOSFÉRICA DE
LA ESTACIÓN DE FMAES
ANDRÉS FELIPE LIMAS MONTAÑA COD. 20091135029
TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE LICENCIADO EN FÍSICA
NELSON LIBARDO FORERO
DIRECTOR
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
LICENCIATURA EN FÍSICA
BOGOTA, D.C.
MAYO DE 2017
i
NOTA DE CERTIFICACIÓN
Por medio de la presente se CERTIFICA que el estudiante ANDRÉS FELIPE LIMAS
MONTAÑA con Cód.: 20091135029 ha cumplido con las labores de la pasantía con el
grupo de investigación Física del Medio Ambiente y Energía Solar – FMAES,
cumpliendo y superando las 384 horas de trabajo comprometidas para el desarrollo
de sus actividades.
_______________________________________
Prf. Nelson Libardo Forero Chacón DIRECTOR
NOTA DE ACEPTACIÓN
Este informe titulado “RECUPERACIÓN, PUESTA EN FUNCIONAMIENTO Y
CALIBRACIÓN DEL SISTEMA DE MEDICIÓN DE HUMEDAD RELATIVA ATMOSFÉRICA DE
LA ESTACIÓN DE FMA&ES”, realizado por ANDRÉS FELIPE LIMAS MONTAÑA recibió la
calificación APROBADO por cumplir satisfactoriamente los objetivos propuestos.
_______________________________________
Dr. Nelson Libardo Forero Chacón DIRECTOR
_______________________________________ JURADO
_______________________________________ JURADO
ii
Bogotá, Mayo de 2017
iii
AGRADECIMIENTOS
A Dios, a quien le debo y agradezco absolutamente todo, lo que he vivido y que me
hace falta por vivir, lo que necesito, anhelo y he logrado, por mi familia al igual que
aquellos que he perdido a lo largo del camino y a quienes espero reencontrar. Por
cada uno de mis aciertos y errores. Espero corresponderle y apreciar lo que hace a
diario por mis seres amados y por mí.
A mis padres, Teresa Montaña y Luis Limas al igual que a mi hermana Tatiana
Limas Montaña por su apoyo y ánimo los cuales serán importantes en todo momento
para alcanzar mis metas. Siempre estaré agradecido al igual que en deuda con ellos,
no me cansaré de agradecerles y retribuirles.
A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por mi formación académica y
otorgarme el título de Licenciado en Física, a todos los docentes, mediadores y
garantes de mi alma mater, en particular y muy emotivamente al profesor Nelson
Libardo Forero Chacón por sus clases teóricas, prácticas y aún más importante sus
consejos y enseñanzas de vida las cuales utilizaré en todo momento.
A mis compañeros de academia y amigos por la cosas vividas en la universidad lo
cual me ayudó a entender el significado del trabajo en equipo, a Juliette Suaréz por
su ánimo, compañía, colaboración y amistad incondicional, a los jurados del
presente trabajo por sus apreciaciones, el tiempo dedicado al igual las respectivas
correcciones.
iv
TABLA DE CONTENIDO.
1 INTRODUCCIÓN...................................................................................................... 1
1.1 OBJETIVOS ...................................................................................................... 1
2 Aspectos generales ................................................................................................ 3
2.1 Estructura y composición de la atmósfera. .................................................... 3
2.2 Cambio Climático. Efectos. ............................................................................. 5
2.3 Importancia del estudio de la humedad atmosférica .................................... 7
2.4 Instrumentos empleados en la determinación de la humedad atmosférica . 9
2.5 Conceptos técnicos relacionados con la medida de la humedad atmosférica
11
2.6 Instrumentación Virtual y LabVIEW ............................................................. 11
3 DESCRIPCIÓN e informe DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS. ...................... 15
3.1 Levantamiento de Información básica. Estudio bibliográfico de conceptos
físicos y técnicos. ..................................................................................................... 15
3.1.1 La humedad atmosférica ................................................................................ 15
3.1.2 Parámetros relacionados ................................................................................ 16
3.1.3 Sensor de humedad relativa ........................................................................... 17
3.1.4 Características del sensor de humedad HS 1100. ........................................... 19
3.1.5 Datos técnicos del sensor de humedad HS 1100 ............................................ 20
3.1.6 Acoplamiento electrónico ............................................................................... 21
3.2 Revisión de la situación operativa y funcional sistema de captación de la
humedad relativa. ................................................................................................... 22
3.3 Reconfiguración de Hardware y actualización del instrumento virtual. ...... 24
3.4 Reinstalación y Puesta en funcionamiento el sistema de medición de
humedad relativa de la estación de FMAES. ........................................................... 25
v
3.5 Puesta en operación y calibración del sistema de captación de datos de
humedad relativa. ................................................................................................... 25
3.6 Formación y capacitación en el manejo de la plataforma y el entorno de
desarrollo de sistemas de adquisición de datos LabView. ...................................... 31
3.7 Presentación y sustentación de las distintas actividades y adelantos frente
al grupo de investigación y semilleros inscritos a FMA&ES. ................................... 32
3.8 Formación en el manejo y análisis estadístico de la humedad relativa. ...... 34
3.9 Registro y análisis estadístico de los datos obtenidos. ................................ 36
3.10 Contraste con los datos de humedad relativa registrados por las redes
oficiales. ................................................................................................................... 36
3.11 Redacción y presentación de artículos a revistas indexadas de ciencias. ... 37
3.12 Presentación de los avances en eventos locales y/o internacionales
relacionados con la actividad del licenciado en Física en temas como la Física del
medio ambiente. ..................................................................................................... 37
3.13 Redacción y presentación del informe final. ................................................ 38
3.14 Oportunidades de Mejora. ........................................................................... 38
4 EXPERIENCIA ADQUIRIDA. ................................................................................... 39
5 CONCLUSIONES .................................................................................................... 40
6 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................... 41
7 ANEXOS. ............................................................................................................... 45
vi
LISTA DE FIGURAS.
Figura 1. Capas atmosféricas en relación con la altitud y la temperatura. ................... 5
Figura 2. Balance energético. Tomado de NOAA. Consulta Marzo 2017.
https://www.star.nesdis.noaa.gov/star/smcdr_rc_emb.php ....................................... 6
Figura 3. Paletas de funciones empleadas en LabVIEW. ............................................. 12
Figura 4. Tipos de datos empleados en la programación con LabVIEW. ..................... 13
Figura 5. Paleta de controles empleada en la programación con LabVIEW. ............... 13
Figura 6. Instrumento Virtual. a.) panel frontal; b.) diagrama de bloques (conexiones)
..................................................................................................................................... 14
Figura 7. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo ................................... 18
Figura 8. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo ................................... 19
Figura 9. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo ................................... 21
Figura 10. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo
https://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf ..................................................... 22
Figura 11. Ubicación Macarena B. Universidad Distrital FJC ....................................... 23
Figura 12. Representación de la plataforma de la estación de medición de variables
ambientales, donde se señala la garita ambiental. ..................................................... 24
Figura 13. Comportamiento de la señal adquirida del sensor de humedad (en voltios)
por medio del IV-HRA, para el 15-Jun-2015 contrastada con datos de Humedad
Relativa Atmosférica (HRA) tomados mediante el Termómetro-Higrómetro de
referencia. ................................................................................................................... 26
vii
Figura 14. Comportamiento de la señal adquirida a partir del sensor de humedad,
por medio .................................................................................................................... 27
Figura 15. Diagrama de dispersión para un periodo de 24 días de adquisición de
datos adquiridos por el sensor de humedad IVHRA medidos en V-1 y los datos de
%HR. El coeficiente de correlación obtenido corresponde a 0.92 .............................. 27
Figura 16. Comportamiento de la Humedad Relativa Atmosférica (HRA) a partir de
datos tomados con un higrómetro de referencia, contrastados con la señal adquirida
del sensor de humedad del IVHRA. En a) representación en autoescala y en b)
representación en la misma escala. ............................................................................ 28
Figura 17. Diagrama de bloque del instrumento virtual IV-HRA, modificado. ........... 29
Figura 18. Panel frontal del instrumento virtual IV-HRA, modificado. ....................... 30
Figura 19. Comportamiento de la Humedad Relativa Atmosférica (HRA) medida con
un Higrómetro de referencia, contrastada con la señal adquirida del sensor de
humedad, por medio del IVHRA. ................................................................................ 30
Figura 20: Certificado de presentación de ponencia en la XIX SEMANA DE
ENSEÑANZA DE LA FÍSICA -2016. ................................................................................ 45
viii
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Valores típicos de funcionamiento del sensor HS1100. ................................ 20
Tabla 2. Niveles de escala para el monitoreo de variables atmosféricas. ................... 35
1
1 INTRODUCCIÓN
Dadas las reformas y adecuaciones realizadas a la infraestructura realizadas en la
Sede A de la Facultad de Ciencias y Educación de la Universidad Distrital Francisco
José de Caldas desde el año 2009 hasta la fecha, el grupo de investigación en Física
del Medio Ambiente y Energía Solar - FMA&ES – trasladó su oficina y equipos a las
instalaciones de la sede B de la misma. Dicho traslado implicó desmontar la estación
de medición de variables ambientales y por consiguiente suspender temporalmente
el monitoreo y registro de los parámetros atmosféricos que son de interés del grupo.
En la actualidad se realiza la respectiva reinstalación y puesta en operación de cada
uno de los instrumentos de medición, lo que implica evaluar las condiciones
operativas y funcionales de los diferentes sistemas.
Como resultado de dicha evaluación se ha determinado que los sensores y
componentes eléctricos que componen los sistemas de medición requieren
intervención con el fin de mejorar las condiciones en la captura de datos.
Consecuente se avaluó la necesidad de rediseñar y reconfigurar los instrumentos a
nivel de hardware como de software.
1.1 OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Recuperación, puesta en funcionamiento y calibración del sistema de
medición de humedad relativa atmosférica de la estación de FMAES.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS (ACTIVIDADES PLANTEADAS)
Realizar un estudio bibliográfico de los conceptos físicos y técnicos que están implicados.
Revisión de la situación operativa y funcional sistema de captación de la humedad relativa.
Reconfiguración del Hardware, mejoramiento y actualización del instrumento virtual.
2
Reinstalación y Puesta en funcionamiento el sistema de medición de humedad relativa de la estación de FMAES.
Puesta en operación y calibración del sistema de captación de datos de humedad relativa.
Formación y capacitación en el manejo de la plataforma y el entorno de desarrollo de sistemas de adquisición de datos LabView.
Presentación y sustentación de las distintas actividades y adelantos frente al grupo de investigación y semilleros inscritos a FMA&ES.
Formación en el manejo y análisis estadístico de la humedad relativa.
Registro y análisis estadístico de los datos obtenidos transcurridos tres meces de monitoreo.
Contraste con los datos de humedad relativa registrados por las redes oficiales.
Redacción y presentación de artículos a revistas indexadas de ciencias.
Presentación de los avances en eventos locales y/o internacionales relacionados con la actividad del licenciado en Física en temas como la Física del medio ambiente.
Redacción y presentación del informe final.
3
2 ASPECTOS GENERALES
2.1 Estructura y composición de la atmósfera.
La atmosfera del planeta actúa como envoltura de la superficie terrestre, en su
mayoría se compone de elementos químicos gaseosos (átomos y moléculas),
material particulado. De acuerdo a la proporción de estos respecto al volumen
atmosférico se clasifican en gases permanentes y variables
Gases permanentes: Son los componentes atmosféricos cuya concentración
volumétrica en la atmósfera permanece prácticamente inalterado. Entre estos gases
se encuentran el oxígeno (O2) y el nitrógeno (N2) que son los constituyentes más
abundantes de la atmósfera terrestre los cuales representan respectivamente el 21%
y 78% del volumen de la atmosfera.
Gases variables: Entre estos gases se encuentran los gases de efecto invernadero, el
vapor de agua (H2O), el dióxido de carbono (CO2). La capacidad para absorber la
componente ultravioleta del espectro de radicación solar y transmitir parte de esa
energía a la superficie es lo que los hace variables y meteorológicamente
importantes.
Material particulado: Se caracterizan por su diámetro que está entre los valores
cercanos a un micrómetro (1m) hasta los cien micrómetros (100m). Su presencia
en la atmósfera se debe a dos tipos de fuente de emisión, la primera de éstas por
procesos naturales tales como emisiones volcánicas, sales y arena. Por otra parte el
humo y aerosoles derivados de la actividad humana al igual que los materiales
gaseosos originados como subproductos de la combustión de hidrocarburos
derivados de las actividades industriales.
La distribución vertical de los componentes atmosféricos disminuye con la altura, su
espesor atmosférico no está claramente definido al tratarse en esencia de una
envoltura gaseosa que se mantiene unida a la superficie terrestre por acción de la
fuerza gravitacional del planeta, y por la forma de este mismo, produce que en las
zonas de los polos el espesor atmosférico sea menor que en la zona ecuatorial. Sin
embargo, se ha podido estudiar la distribución atmosférica al diferenciar cinco
4
regiones o capas atmosféricas, que respecto a la superficie son la tropósfera,
estratósfera, la mesósfera y la termósfera (Coca, 2002).
Tropósfera: Es la primera de las capas atmosféricas; está en contacto con las
superficies terrestre, marina y oceanográfica. La tropósfera comprende los primeros
17 kilómetros de la atmósfera en la zona ecuatorial y 7 kilómetros en los polos. La
tropósfera contiene aproximadamente el 75% de la densidad total de la atmósfera.
La temperatura en esta capa disminuye con la altura a razón aproximada de 279.6
K/Km hasta alcanzar en la parte superior de la tropósfera una temperatura de 210 K.
Al pasar la tropósfera se encuentra la tropopausa que es la región atmosférica de
transición entre la tropósfera y la estratósfera. En esta región el perfil de la
temperatura permanece prácticamente constante respecto a la altura y por tal, se
dice que se presenta la inversión de la temperatura. En la tropósfera se presentan la
mayoría de los fenómenos atmosféricos relevantes entre los que se encuentra la
precipitación y los ciclos de los gases naturales de efecto invernadero.
Estratósfera: Esta está en contacto con la estratopausa y se extiende hasta 50 km. En
la estratósfera se concentra el 19% de la densidad de la atmósfera, se encuentra en
gran cantidad el ozono atmosférico y en menor cantidad el vapor de agua, ambos se
encargan de la absorción y posterior reemisión de parte de la radiación solar
ultravioleta. La distribución de los componentes químicos de manera estratificada le
da el nombre a esta capa y genera una estabilidad térmica. La temperatura de esta
capa aumenta con la altura desde 210k (temperatura de la tropopausa) hasta
alcanzar los 270K que corresponden a la temperatura de la estratopausa. En
comparación con la tropósfera.
Mesósfera: Esta capa atmosférica se encuentra al pasar la estratopausa. Su espesor
es de aproximadamente de 35 km, lo que ubica a la parte superior de la mesósfera a
unos 85 km de altura desde la superficie terrestre. La temperatura de la parte baja
de la mesósfera es de 270 K que disminuye a los largo de la mesósfera hasta alcanzar
los 180 K que corresponde a la temperatura de la mesopausa (Mohanakumar, 2008).
5
Figura 1. Capas atmosféricas en relación con la altitud y la temperatura. Consulta online:
capas atmosféricas.
Termósfera: Esta capa atmosférica llega hasta los 640 km respecto a la superficie del
planeta, en esta capa la abaja densidad atmosférica está constituida principalmente
por Oxigeno y Nitrógeno molecular que absorben la radiación solar altamente
energética, lo que produce que la temperatura se eleve desde los 180 k de la
mesopausa hasta 1473 K. La Figura 1, representa cada una de las capas atmosféricas
descritas en relación con la altitud y la temperatura.
2.2 Cambio Climático. Efectos.
La atmósfera se comporta como una sustancia parcialmente transparente frente a la
radiación solar incidente y la energía emitida por la superficie de la tierra. La
interacción de la radiación solar con el interior del planeta resulta las componentes
reflejada, absorbida y reemitida de la radiación por las nubes, atmósfera, la litósfera
y la hidrósfera.
6
Figura 2. Balance energético. Tomado de NOAA. Consulta Marzo 2017.
https://www.star.nesdis.noaa.gov/star/smcdr_rc_emb.php
La diferencia entre la energía radiante entrante y saliente del planeta define el
balance de radiación solar. La Figura 2, representa gráficamente el balance
energético del planeta según la NASA. El desbalance de positivo o negativo la
radiación repercute directamente en un periodo de tiempo relativamente corto (del
orden de las décadas) el aumento o disminución de la temperatura media global
respectivamente. Por esta razón el estudio del balance de radiación ayuda a mejorar
la comprensión de los fenómenos climáticos como la circulación atmosférica, el ciclo
hidrológico, el calentamiento global y efecto invernadero natural que son generados
por procesos de trasferencia de energética desde la parte superior de la atmósfera
hasta la superficie del planeta y viceversa.
En esta tarea se ha usado numerosos modelos climáticos con el fin de simular y
predecir el comportamiento climático. La complejidad del clima hace que sea
necesario utilizar modelos computacionales (modelos climáticos) los cuales
presentan grandes limitaciones para describir con certeza el comportamiento del
7
clima. Entre las restricciones de los modelos climáticos están relacionados con el
conocimiento de los factores que afectan en poca y en gran medida la conducta del
clima al igual que la incertidumbre de los resultados obtenidos.
En el último medio siglo, el estudio de las variables meteorológicas del clima
terrestre se ha apoyado en el uso de radiotelescopios y satélites equipados con
sensores. Los instrumentos de vanguardia que en la actualidad se utilizan se ubican
en la parte superior de la atmosfera terrestre orbitando alrededor del planeta. Entre
los satélites más importantes que se han puesto en órbita en los últimos sesenta
años están aqua (lanzado en 2012) tiene como objetivo enviar información sobre el
ciclo hidrológico, SMOS (soil moisture and ocean salinity satellite, lanzado en 2009),
destinado para proveer información sobre la humedad terrestre, salinidad de los
océanos y la concentración de nieve y hielo a en la superficie terrestre, ERBE (Earth
Radiation Budget Satellite, Lanzado en 1984) su objetivo es la medición de la
radiación solar incidente y reflejada al igual que la radiación emitida por el planeta.
Los satélites CALIPSO (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite
Observation) y CloudSat ambos lanzados en 2009 suministran datos sobre el efecto
de las nubes y los aerosoles en la precipitación global y el albedo (NASA, 2016).
2.3 Importancia del estudio de la humedad atmosférica
El vapor de agua es un importante componente atmosférico de los agentes del
efecto invernadero natural. Representa menos del 1% de los gases que componen el
volumen de la atmósfera. La reducción de la radiación térmica de longitud de onda
larga que es emitida desde el suelo se debe a la captación por parte del vapor de
agua, lo cual tiene repercusiones en otras variables climáticas. A escala global, el
aumento del vapor de agua y la temperatura genera a su vez, el aumento de la
evaporación (flujo de calor latente hacia la parte superior de la atmósfera) y en
consecuencia la precipitación aumenta, este es el mecanismo de balance energético
por parte retroalimentación positiva del vapor de agua o feedback el cual tiene un
efecto intensificado en el ciclo hidrológico (Hall & Manabe, 2000). Como recurso
natural, la presencia del agua líquida en diversos ecosistemas influye directamente
en las condiciones de proliferación de la vida. El cambio de la disponibilidad del
recurso hídrico y otros factores ecológicos, ya sean naturales tal como sequias,
lluvias, cambios estacionales, entre otros o los provocados por la actividad humana,
contaminación, explotación de recursos, modificación de la geográfica y de más
8
afectan el balance dinámico entre las diversas comunidades biológicas. La
humanidad no es indiferente ante la situación de medio que le rodea puesto que
depende en gran media de los recursos que puede obtener de éste y la expansión
demográfica y la sostenibilidad de la misma ha dejado una huella profunda a nivel
ambiental en el planeta irreversible (EcoAdapt, 2014).
El impacto que tiene las alteraciones de las fuentes naturales que suministran agua
(ríos, embalses, manantiales) junto con los procesos que se derivan del ciclo
hidrólogo como la precipitación y los periodos de sequía, representan pérdidas
económicas, vulnerabilidad a nivel de salubridad en las poblaciones especialmente
las rurales, y la cantidad de agua consumible que está a disposición. Para el caso de
Latinoamérica, rico en fuentes hídricas y variedad climática por su privilegiada
ubicación y condición geográfica, cobra mayor importancia la gestión del recurso,
con miras a atender las problemáticas socioeconómicas que se presenta en la
actualidad derivadas del cambio en las condición climática y la alteración de los
ecosistemas que en la actualidad son visibles. En Colombia, estudios realizados a lo
largo y ancho del país en las últimas décadas por instituciones destinadas al
monitoreo ambiental entre los que se encuentra el instituto de hidrología,
meteorología y estudios ambientales (IDEAM) muestran que los efectos del cambio
climático y la variabilidad anual del mismo afecta al sistema hídrico, su ciclo y
fuentes naturales. Puesto que la condición climática general no es homogénea, y es
particular para cada región del país (21 regiones climática), las anomalías que se
presentan en la variación anual de la precipitación, temperatura media, elevación del
nivel del mar y los cauces de ríos, entre otros son indicadores del efecto de los
fenómenos naturales que se presentan cada año en el país tales como la Niña y el
Niño.
Frente a tal situación que hoy día se presenta los pronósticos realizados para el
intervalo 2011- 2040, es necesario establecer políticas a nivel nacional y regional
para el uso y distribución de los recursos en miras a disminuir la vulnerabilidad de las
fuentes de agua dulce al cambio en la condición climática por tal el monitoreo de las
variables meteorológicas, entre las cuales se encuentra la humedad relativa
atmosférica, cobra mayor importancia a la hora de establecer el comportamiento del
clima y la dinámica de éste (García , Piñeros, Fabio , & Estefanía, 2012).
9
2.4 Instrumentos empleados en la determinación de la humedad atmosférica
Los instrumentos de medición indirecta de la humedad atmosférica se han
perfeccionado desde la aparición del primer instrumento para esta tarea. De la
invención del higrómetro en el siglo XVII por el Francés Guillaume Amontos y el
psicrómetro en el siglo XIX por el Alemán Ernst Ferdinand August. Junto con estos
instrumentos aparecen dos ramas de la física que los sustentan, estos campos son
respectivamente la Higrometría y la Psicrometría.
La higrometría es la rama de la Física que tiene la finalidad de determinar la cantidad
de vapor de agua atmosférico usando el higrómetro de absorción. Este instrumento
se basa en el uso de distintos materiales orgánicos, vegetales y sustancias químicas
denominadas sustancias higroscópicas las cuales tienen la propiedad de absorción y
desorción del vapor de agua circundante. Los materiales y sustancias higroscópicas
se emplean como sensores mecánicos. Entre estos higrómetros, los más conocidos
son sido los higrómetros de cabello humano.
El cabello humano es un material orgánico el cual varía de longitud en respuesta a la
absorción de la humedad. Al estar sujetado de manera vertical por una pinza en la
parte superior, y por una polea conectada a una guja en el extremo inferior, las
dilataciones o contracciones del cabello genera el movimiento de la aguja sobre la
escala indicadora del grado de saturación. Una forma alternativa de determinar la
humedad con higrómetros de absorción se realiza mediante el uso de los
hidrógrafos, que son dispositivos similares al higrómetro de cabello convencional.
Una variación del higrómetro son los higrógrafos. A diferencia de los higrómetros, los
higrógrafos tienen su aguja apoyada sobre una hoja de papel milimetrado, lo cual
permite registrar las medidas de humedad sin necesidad que el usuario este
constantemente revisando el instrumento. La principal limitación de estos
instrumentos radica en que las medidas registradas por distintos tipos de
higrómetros no son comparables. Los higroscopios del cabello humano registraran
datos diferentes entre sí puesto que las longitudes de dilatación contracción no son
las mismas.
La Psicrometría. Es una rama Física y en particular de la termodinámica aplicada que
caracteriza el estado del aire seco o aire húmedo, denominado el estado
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psicrométrico del aire, basado en parámetros termodinámicos como la temperatura,
humedad específica, humedad relativa, presión, volumen específico y entalpía del
aire. Para cada lugar de estudio, la medición del estado termodinámico del aire se
obtiene a partir de diagramas y carta psicrómétricas en donde se representan todos
los posibles estados del aire mediante la representación de cada uno de estos como
puntos coordenados. Si se conoce de antemano dos parámetros, la temperatura de
bulbo húmedo y la temperatura de bulbo seco por ejemplo es posible conocer el
resto de parámetros correspondientes. Las cartas psicrómétricas determina el estado
del aire atmosférico de manera rápida y sencilla.
El psicrómetro está configurado por dos termómetros, uno de los cuales está
cubierto en su parte inferior por un trozo de tela o algodón humedecido y el otro
está expuesto.
Respectivamente, la temperatura que se mide con estos termómetros se les
denomina temperatura de bulbo húmedo y temperatura de bulbo seco. Temperatura
de bulbo húmedo. Al estar el termómetro de bulbo húmedo expuesto a la
intemperie o por la agitación controlada del psicrómetro, la corriente de aire
contribuye a la evaporación del agua contenida por el trozo de tela que cubre el
bulbo del termómetro.
Las variaciones de la temperatura son causadas principalmente por la presión
atmosférica y humedad del lugar, Para el caso en que el aire no está saturado de
vapor de agua, se espera que la temperatura que mida el termómetro de bulbo
húmedo sea menor a la del termómetro de bulbo seco. En el caso contrario (100%
de humedad relativa) las dos temperaturas medidas serán las mismas.
Temperatura de bulbo seco. Es la temperatura que presenta el aire, por tal razón se
le conoce también como temperatura seca del aire. El hecho de no cubrir el
termómetro con un trozo de tela humedecida hace que ésta temperatura no sea otra
cosa más que un medición ordinaria de la misma. A menos que se diga lo contrario
toda medición de la temperatura del aire se entiende como temperatura seca del
aire.
11
2.5 Conceptos técnicos relacionados con la medida de la humedad atmosférica
El monitoreo atmosférico comprende el conjunto de técnicas y metodologías
diseñadas para la adquisición y análisis de datos concernientes las concentraciones y
distribución de agentes contaminantes en un lugar y en un tiempo señalado. La
importancia del monitoreo atmosférico entre otras razones es importante debido a
(Martínez & Isabelle, 2016):
Determinar el estado del aire
Llevar a cabo estudios sobre los agentes contaminantes y el cambio climático al igual que los efectos en la calidad de vida y fenómenos epidemiológicos.
Realizar programas de control ambiental y políticos acordes al impacto ambiental causado por la actividad industrial Entre los aspectos técnicos generales de la medición de parámetros atmosféricos se encuentran
Selección de las variables atmosféricas a ser medidas, al igual que los correspondientes instrumentos de medición
Establecer la normatividad local o internacional que regirá la obtención y análisis de los datos obtenidos
Establecer el alcance del monitoreo atmosférico, de este ítem se deriva las metodologías a seguir para el caso del uso de redes de monitoreo o es monitoreo de una región o localidad determinada
Establecer el periodo de tiempo a evaluar las condiciones del aire Estación meteorológica. Es el lugar destinado para reunirlos instrumentos de medición atmosférica los cuales se caracterizan por estar conformados por instrumentos electrónicos y sensores, de manera que el registro y almacenamiento de datos es vigilado desde una terminal remota mediante el uso de ordenadores. Algunos de los instrumentos usados por sus características deben ser expuestos al aire libre o almacenados en garitas meteorológicas.
2.6 Instrumentación Virtual y LabVIEW
NI-LabVIEW (Laboratory Virtual Workbench) es un software de programación gráfica
creado por National Instrument (NI) en el año de 1986 que utiliza un modelo de flujo
de datos en lugar de líneas secuenciales de código de texto y el cual ha sido utilizado
en el sector científico e industrial principalmente para desarrollar sistemas de
12
medida y control. Los programas realizados se denominan instrumentos virtuales
(VI) caracterizados versatilidad en la construcción del algoritmo de programación al
estar basado en programación gráfica o lenguaje de programación (G).
El ambiente de programación lo conforman dos ventanas denominadas diagrama de
bloques y panel frontal. El primero de éstos es el lugar de trabajo en el cual se
realiza la construcción del código a partir de diagramas de bloques constituidos por
iconos que representan estructuras programas denominadas funciones, cada uno
cumple una tarea en particular entre las cuales se encuentran cálculos estadísticos y
aritméticos. En la Figura 3 se aprecia la paleta que reúne las funciones empleadas en
LabVIEW.
Figura 3. Paletas de funciones empleadas en LabVIEW.
La construcción del algoritmo se realiza mediante la conexión de funciones,
controles e indicadores por medio de distintos cables que corresponden a diferentes
clases de datos utilizados en LabVIEW, los más utilizados se clasifican en entero o
integer (I) que a su vez se clasifican por el espacio de memoria requeridos para su
almacenamiento 8, 16, 32 y 64 bits. Los datos tipo double (DBL) son utilizados para
representar cantidades numéricas decimales cuya precisión y espacio de
almacenamiento requerido varía. Datos de la forma false /true y on/off son ejemplo
13
de datos booleanos empleados generalmente como interruptores que detiene o
pausa el flujo de datos a través código y des esta forma detener la ejecución del
instrumento virtual. Mensajes de texto y demás tipos de cadena de caracteres se
clasifican como datos tipo string entre los cuales están mensajes de alerta, fecha y
hora en la cual se realizó la medida.
Figura 4. Tipos de datos empleados en la programación con LabVIEW.
En la Figura 4, se ilustran los distintos tipos de datos empleados y sus
correspondientes iconos.
Figura 5. Paleta de controles empleada en la programación con LabVIEW.
En el panel frontal se diseña la interfaz del VI (instrumento virtual) donde el usuario
realizará las mediciones y control de interés. De manera análoga a los diferentes
tipos de instrumentos que se utilizan en la industria y ciencia. Los instrumentos
virtuales cuentan con botones, perillas, gráficas que se encuentran ubicados en la
paleta de controles los cuales se utilizan de acuerdo de acuerdo al diagrama de
bloques realizado, como la mostrada en la Figura 5.
14
Un Instrumento Virtual, VI, por tanto, es un instrumento real que al momento de
crearse es posible utilizar varios IV los cuales son llamados sub-IV, con todos ellos
pueden crearse programas robustos. La programación en LabVIEW se compone
entonces de dos partes: el panel frontal y el diagrama de bloques, como los
representados en la Figura 6 .
El panel frontal, Figura 6, a), es la forma de interactuar con el instrumento virtual, en
este se presentan los botones, graficas, cajas de recepción de datos y muestra de
datos; el panel frontal es la interfaz de Entrada – Salida con el instrumento virtual. El
diagrama Figura 6, b), permite crear de forma gráfica la programación del
instrumento virtual, al igual que en la programación a bajo nivel, Labview utiliza las
mismas estructuras, solo que estas se representan con bloques las cuales
interactúan entre ellas por medio de cables.
a.)
b.)
Figura 6. Instrumento Virtual. a.) panel frontal; b.) diagrama de bloques (conexiones)
15
3 DESCRIPCIÓN E INFORME DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS.
A continuación se describen cada una de las actividades realizadas en el desarrollo
del TG bajo la modalidad de pasantía en el grupo de investigación FMA&ES y se
analizan los resultados obtenidos, siguiendo lo expresado en los objetivos
planteados en el PTG. Se planteó un cronograma de actividades a ejecutarse durante
el transcurso de los periodos 2015-1 y 2015-3. Las primeras sesiones de trabajo se
desarrollaron a finales del 2014.
3.1 Levantamiento de Información básica. Estudio bibliográfico de conceptos físicos y técnicos.
Algunos de los temas relacionados se han tratado en el capítulo anterior. Sin
embargo y en complemento de los mismos, en esta sección se profundizan algunos
de ellos.
3.1.1 La humedad atmosférica
La humedad es definida como el contenido de vapor de agua presente en la
atmósfera, en particular a nivel troposférico. Respecto al contenido de vapor de
agua, éste ha sido expresado de diferentes maneras dando como resultado que al
ser objeto de medición, la humedad atmosférica puede pueda clasificarse como
humedad atmosférica absoluta, humedad específica o humedad relativa, todas estas
mediciones se apoyan en el empleo de otros parámetros atmosféricos tales como la
presión y la temperatura atmosférica. A continuación se define varias expresiones de
humedad atmosférica, aunque no son las únicas, estas son las más empleadas en
meteorología y ciencias de la atmósfera (Andrews, 2010).
Humedad absoluta (HA): Es la medida en gramos del contenido de vapor de agua
atmosférico (𝑚 ) en un metro cubico de aire (𝑉 ) las unidades de la humedad
absoluta son de [g/m3].
𝑚 𝑉
(1)
Humedad específica (HE): se define con la masa expresada en gramos de vapor de
agua (𝑚 ) presente en un kilogramo de mezcla de aire seco (𝑀 ) y vapor de agua
16
(𝑚 ), denominado aire húmedo. Sus unidades son [g/Kg]. Esta medida está
relacionada con la razón de mezcla para el caso en que la cantidad de vapor de agua
sea tan pequeña que el aire se puede considerar como aire seco en lugar de aire
húmedo.
𝑚
𝑀 𝑚 (2)
Humedad relativa (HR): Describe la cantidad de vapor de agua que está presente en
el momento de la medición respecto a la cantidad de vapor de agua máxima posible
a la misma temperatura. Se expresa como el porcentaje del cociente entre la
cantidad de vapor de agua y la cantidad máxima o de saturación. Respectivamente,
este valor está entre el rango de 0 a 100 por ciento para los casos en el que no hay
humedad (aire seco) y en el caso de máxima humedad (aire saturado de moléculas
de agua). Esta expresión se expresa como el cociente entre la presión parcial de
vapor de agua (𝑃 ) y la presión saturación o aire húmedo (𝑃 ).
𝑃 𝑃 (3)
3.1.2 Parámetros relacionados
Razón de mezcla (r): Es la cantidad de humedad que está presente en un kilogramo
de aire. Se expresa como la razón entre la masa en gramos del vapor de agua (𝑚 ) y
un kilogramo de aire seco (𝑀 ), esta expresión tiene unidades de [g/Kg].
𝑚 𝑀
(4)
Presión atmosférica: Es la fuerza que ejerce el aire sobre el planeta. La presión
corresponde al peso de la columna vertical de sección transversal de la atmósfera
que se apoya sobre cada metro cuadrado de la superficie horizontal. El efecto
gravitacional de la tierra sobre los distintos componentes gaseosa de la atmósfera
produce que estos se distribuyan en casas de manera tal que la densidad del aire
disminuye a media que se asciende hasta el límite superior de la atmosférico.
Otros factores que afectan la distribución vertical de las capas atmosféricas son
variaciones altitudinales de la temperatura, la dinámica rotacional y traslacional del
17
planeta y la composición de la atmósfera, este último puede ser forzado por
variaciones en la intensidad de radiación solar y por factores antropogénicos.
La variación de la presión (𝑃) del perfil atmosférico en equilibrio hidrostático medido
desde el nivel del mar (𝑃 ) hasta el parte superior de la atmósfera (z) es descrita por
la ecuación de balance hidrostático:
𝑃 𝑃 (
) (5)
Presión parcial de mezcla: Para una mezcla de gases ideales, la presión total de la
mezcla (𝑃) es expresada como la suma de la presión de cada gas o cada tipo de
moléculas (𝑛 ) que se encurten a la misma temperatura y volumen tal como lo
predice la ley de Dalton. La presión de cada gas se aproxima a la presión que
ejercería cada gas al contenedor para el caso en que solo se encontrara en el
contenedor dicho gas.
𝑃 ∑𝑛
𝑉
(6)
3.1.3 Sensor de humedad relativa
Algunos materiales al ser capaces de almacenar agua dentro de su estructura
(materiales higroscópicos) experimentan cambios en las propiedades físicas y
químicas, tales como la longitud, peso, conductividad eléctrica y composición
química. A partir de la cantidad y tiempo de exposición a la humedad, dichos
cambios pueden ser permanentes o reversibles. En la actualidad se es posible
encontrar en el mercado una variedad de sensores electrónicos que permiten la
medición de la humedad relativa. El funcionamiento de los distintos tipos de
sensores obedece los principios de funcionamiento psicrométricos, ópticos, de
condensación, adsorción, resistivos y capacitivos.
En este caso se emplea un sensor tipo capacitivo con referencia HS1100, cuyo
principio de funcionamiento consiste en un arreglo eléctrico conformado por un
condensador que apantalla un material dieléctrico de constante dieléctrica relativa
diferente de 1 (correspondiente a la permitividad del aire), la magnitud de carga
eléctrica que almacenar dicho tipo de condensadores, denominada capacitancia o
18
capacidad eléctrica C, dependerá entre otros parámetros de la concentración
molecular del material dieléctricos, sus características químicas entre las que se
encuentra la configuración de los enlaces, geometría del condensador, área A y
distancia de separación entre las placas, d. La relación utilizada para calcular la
capacitancia de un condensador corresponde a La constante representa la
permitividad eléctrica en el vacío. Si por ejemplo, el sensor se expone a la
intemperie, el material dieléctrico del condensador será aire húmedo, para el cual se
espera que al transcurso del tiempo (horas) la cantidad de moléculas de agua varíe,
haciendo entre otras cosas, que la cantidad de carga acumulada y las características
del sensor (condensador de capacitancia variable) no permanezcan constantes.
Aprovechando la situación anterior, se establece la relación entre los cambios de la
humedad relativa de la atmósfera y el cambio del voltaje de carga y descarga del
sensor. Las ecuaciones que relacionan dichos parámetros por lo general son
suministradas en las fichas técnicas del mismo, en el caso particular de éste trabajo,
la marca fabricante corresponde a HUMIREL (HUMIREL, 2015).
El sensor utilizado como parte fundamental del instrumento virtual para medición de
la humedad relativa atmosférica realizada por el grupo de investigación Física del
medio ambiente y energía solar (FMA&ES) corresponde al HS1100, que consiste en
un condensador (célula capacitiva) cuyo material dieléctrico se compone de un
polímero que experimenta cambios reversibles en sus propiedades fisicoquímicas al
estar expuesto a entornos húmedos (polímero higroscópico).
El sensor HS1100 consiste en dos conductores eléctricos aislados eléctricamente por
un material dieléctrico de espesor 𝑑. El paso de vapor de agua hacia el interior
(absorción) o exterior (desorción) del sensor se realiza a través de una de las placas
del condensador cuya forma es de un electrodo poroso.
Figura 7. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo
19
El aumento o disminución de la concentración de vapor de agua presente en el
dieléctrico provoca la variación de la permitivad eléctrica 𝜀 del mismo y con ello el
cambio en la capacitancia del sensor. Para un condensador de palcas paralelas de
área el valor de 𝐶 en función de los cambios de la estructura del dieléctrico puede
evidenciarse en la relación que estas magnitudes presentan mediante la ecuación:
𝐶 𝜀
𝑑 (7)
La preferencia en el uso del sensor en anteriormente citado obedece a
características generales, datos técnicos, valores de operación máximos y mínimos,
curva típica. En la Figura 8 se aprecia el encapsulado (izquierda) del sensor junto con
el diagrama que lo representa (derecha).
Figura 8. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo
https://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
3.1.4 Características del sensor de humedad HS 1100.
A continuación se presentan algunas características, de las más relevantes del
sensor de humedad HS 1100:
En condiciones normales de funcionamiento, se tiene fiabilidad a la hora de reemplazar el sensor en el correspondiente circuito, sin necesidad de realizar calibración exhaustiva.
Puede emplearse en diferencies procesos que van desde la medición y monitoreo de la humedad a nivel doméstico, a investigación de procesos industriales.
Posee un nivel de desaturación instantánea (100% de humedad relativa) en condiciones estándar de operación y en situaciones de exposición prolongada.
20
Posee estabilidad de señal de respuesta en situaciones de medición a largo plazo.
La estructura del polímetro es sólida, lo cual contribuye al tiempo de vida del sensor.
La correlación entre el voltaje y frecuencia de respuesta es aproximadamente lineal con el cambio de la humedad relativa atmosférica.
El tiempo de respuesta del sensor es rápida frente a la variabilidad de las condiciones a las cuales se expone.
3.1.5 Datos técnicos del sensor de humedad HS 1100
La siguiente tabla reúne los valores típicos de funcionamiento del sensor HS1100
para una temperatura ambiente de 25°C.
Tabla 1. Valores típicos de funcionamiento del sensor HS1100.
En la siguiente grafica (Figura 9) se presenta la señal de respuesta del sensor por
efectos de la temperatura cuando éste se encuentra expuesto a condiciones
externas, de temperatura estándar con las que se realizan los procedimientos de
calibración a de 25°C.
21
Figura 9. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo
La gráfica muestra la relación (aproximadamente lineal) entre la capacitancia medida
(𝐶 ) y la humedad relativa atmosférica (RH). La función de respuesta
correspondiente al sensor es:
𝐶 𝐶 55 ( .25 .36 + 2. 9 + 9. ) (8)
3.1.6 Acoplamiento electrónico
Las variaciones de la película higroscópica del sensor producto de la absorción o
desorción de vapor de agua atmosférico producen el cambio en la capacitancia y la
diferencia de potencial. Para obtener la señal del sensor se ha desarrollado un
acoplamiento electrónico basado en el integrado 555 en su configuración astable tal
y como se representa en la Figura 10:
22
Figura 10. Diagrama de un sensor de humedad tipo capacitivo
https://www.todopic.com.ar/utiles/hs1100es.pdf
La medición indirecta de la humedad relativa es posible al relacionar la señal de
respuesta del sensor (condensador de capacitancia variable) con la onda cuadrada
de frecuencia variable generada por el 555, la cual está dada en función de las
resistencias y la capacitancia por:
𝑓
𝐿𝑛 ( + 2 2 ) (9)
Y cuya salida de voltaje acorde con la ficha técnica del sensor HS 1100 es:
𝑉 𝑉 ( . 474 + .2354) (10)
3.2 Revisión de la situación operativa y funcional sistema de captación de la humedad relativa.
El edificio de laboratorios Macarena B de la Universidad se encuentra ubicado en la
ciudad de Bogotá – Barrio la Macarena, con la dirección catastral Kr 4 No 26a-40, con
coordenadas 4°36´49.1´N¨ - 74°03´55.2¨W y una altitud sobre la cordillera oriental
en los andes colombianos de 1632m, donde ha operado una estación de medición
de variables ambientales del grupo de investigación FMAES, mostrada en la imagen
de la Figura 11. Una vez hechas las revisiones de funcionalidad e inspección física
con el propósito de hallar daños o deterioro, se consideró necesario el remplazo de
23
algunos componentes electrónicos del circuito de acople electrónico, entre ellos un
regulador LM7812 que genera una diferencia estable de 12V que alimenta el 555.
Figura 11. Ubicación Macarena B. Universidad Distrital FJC
De otra parte y al igual que el cableado original, a raíz del desmonte y traslado, sufrió
daños que hizo necesario su reemplazo total. Dentro de los equipos con que se
cuenta para el sistema de adquisición de datos y medida de la humedad relativa
atmosférica, están los módulos compact Field Point 2020:
cFP 2020: Compact Field Point 2020 de la firma National Instruments.
funciona como control de automatización, cuenta con:
- Puerto de Ethernet para E/S distribuida basada en PC,
- cuatro puertos seriales,
- almacenamiento Compactflash desmontable de 65 MB no volátil,
- memoria DRAM de 32 MB extendida, configurable para registro de datos autónomo, proceso analógico y sistemas discretos de control,
- puertos serial RS485 y 3 RS232 para conexión a periféricos.
- Controladores en tiempo real, autónomos y embebidos,
- Soporte para el Módulo LabVIEW Real-Time 8.5.1
- Soporte para Windows.
FP-AI-100: El módulo cFP-AI-100. Módulo de entrada analógica de voltaje y
corriente de 8 canales para Field Point:
- 8 entradas de voltaje o corriente con una resolución de 12 bits
- Maneja señales de bajo voltaje, voltaje medio o miliamperios.
- Rango de entrada configurable por software (por canal)
24
- rango de operación de -40 a 70°C
- Operación Hot PnP (plug-and-play)
- Tecnología Plug and Play.
FP-TC-120: El Módulo cFP-TC-120:
- Mide señales en milivoltios
- 8 entradas diferenciales con resolución de 16 bits
- Operación Hot PnP (plug-and-play)
- Rango de operación de -40 a 70°C; rechazo de ruido de 50/60 Hz
- Rango de entrada, tipo termopar configurable por software por canal.
3.3 Reconfiguración de Hardware y actualización del instrumento virtual.
Una vez re-instalados los circuitos y acoplamientos electrónicos al sistema de
adquisición de datos, compuestos por los módulos compact Field Point y se hicieron
los respectivos ajustes, detección de drivers y dispositivos a partir del sistema
explorador NI-MAX-Explorer, este operó en forma satisfactoria. De otra parte, el
grupo de investigación FMAES contó con una garita meteorológica, diseñada y
construida alrededor del año 2011, representada en la Figura 12, la cual por efecto
de la reestructuración de la sede Macarena A, fue desmontada. Actualmente se
construye una garita meteorológica necesaria para la instalación del sensor de HRA.
Figura 12. Representación de la plataforma de la estación de medición de variables
ambientales, donde se señala la garita ambiental.
Para cumplir con esta actividad y como parte del proceso de formación profesional,
se desarrollaron tres cursos electivos ofrecidos por el grupo FMAES, como soporte
25
teórico-experimental y fundamento de aprendizaje, que permitió el aprendizaje del
lenguaje de programación LabVIEW, así como de los conceptos básicos en temas
atmosféricos y ambientales. Estos cursos son: “Principios de Física del Estado Sólido”,
desarrollado durante el periodo 2014 - 1, “Fundamentos y aplicaciones de energía
solar”, desarrollado durante el periodo 2014 - 3 e “Instrumentación virtual y
sistemas de adquisición de datos”, desarrollado durante el periodo 2015 - 3.
3.4 Reinstalación y Puesta en funcionamiento el sistema de medición de humedad relativa de la estación de FMAES.
Una vez reinstalado y configurado LabVIEW y las demás aplicaciones de soporte para
el Field Point y los diferentes módulos de adquisición, los cuales fueron verificados
una a uno, así como también instalado y configurado el IV para la medida de
humedad relativa atmosférica, fue puesto en operación el sistema de adquisición de
datos HRA, a mediados del mes de enero de 2016.
3.5 Puesta en operación y calibración del sistema de captación de datos de humedad relativa.
Existen diversas técnicas que pueden aplicarse a la hora de realizar la calibración de
sensores, cada una de éstas se caracteriza por aspectos técnicos propios del sensor,
exactitud y sensibilidad requeridos y la normas locales o internacionales que
garantizan el cumplimiento de los protocolos que normalizan y estandarizan la
medición de variables atmosféricas.
A la hora de elegir el método de calibración hay que tener presente las
características, requerimientos y limitaciones del instrumento del sensor elegido al
igual que otros factores como exactitud requerida, tiempo invertido en la
calibración, disponibilidad de recursos y conveniencia del mismo.
A fin de calibrar el instrumento virtual, el primer paso fue obtener medidas de
diferencia de potencial generadas por el sensor HS 1100, operado bajo el soporte del
acoplamiento electrónico desarrollado, para ser contrastadas con medidas de
humedad relativa atmosférica, obtenidas mediante un Termómetro-higrómetro de
referencia. La Figura 13, presenta las primeras medidas obtenidas de diferencia de
potencial en voltios del sensor HS 1100, en función del tiempo, comparadas con las
de HRA, obtenidas por el higrómetro de referencia.
26
Figura 13. Comportamiento de la señal adquirida del sensor de humedad (en voltios) por
medio del IV-HRA, para el 15-Jun-2015 contrastada con datos de Humedad Relativa Atmosférica (HRA) tomados mediante el Termómetro-Higrómetro de referencia.
Como se puede observar, los datos de diferencia de potencial se comportan en
forma inversa a los de HRA, obtenidos por el sistema de referencia de HRA. De esta
manera se establece que a través del IV-HRA desarrollado, se configure para obtener
los valores inversos de estas diferencias de potencial, obtener los valores de las
constantes de ajuste necesarias y de allí se establezca el valor de humedad relativa
atmosférica.
El resultado de este proceso, se puede evidenciar en la Figura 14, en donde se
muestra el comportamiento de los datos de HRA obtenidos a partir del Termómetro-
Higrómetro de referencia y los valores inversos de los datos de diferencia de
potencial obtenidos con el Sensor de humedad HS 1100.
Como se puede observar, el seguimiento que hace el comportamiento de los datos
del inverso de la diferencia de potencial
a los de HRA obtenidos con el sistema de
referencia es muy significativo. Con los valores de
obtenidos a partir de la señal
emitida por el sensor HS 1100 y los de HRA, obtenidos por el sistema de referencia,
se obtiene un diagrama de dispersión como el mostrado en la Figura 14, de la cual
puede obtenerse una expresión con la que se estime el valor de HRA, a partir del
sensor HS 1100.
27
Figura 14. Comportamiento de la señal adquirida a partir del sensor de humedad, por medio del IVHRA, representada en V-1, contrastada con datos de Humedad Relativa Atmosférica
(HRA) a partir de datos tomados con un Higrómetro de referencia.
La Figura 15, presenta el diagrama de dispersión para un periodo de una semana
entre los valores de
y los valores de HRA obtenidos con el higrómetro de
referencia.
Figura 15. Diagrama de dispersión para un periodo de 24 días de adquisición de datos
adquiridos por el sensor de humedad IVHRA medidos en V-1 y los datos de %HR. El coeficiente de correlación obtenido corresponde a 0.92
Podría entonces pensarse en una expresión para la HRA% de la forma:
28
𝑐
𝑉 (11)
Sin embargo y para revisar en detalle el comportamiento de las medidas arrojadas
por el IV-HRA% desarrollado a partir de LabVIEW, se ha tomado como ejemplo para
el seguimiento de este proceso, la reproducibilidad en las medidas de %HRA, con
datos obtenidos para un día en general representados en la Figura 16. Allí se
muestran valores obtenidos a partir de ambos sistemas empleando un proceso
gráfico de autoescala en la parte a) de la figura. Este proceso aparentemente
reproduce el comportamiento de la humedad en forma similar en ambos casos; sin
embargo, si se observa el rango de medida obtenido a partir del IVHRA (escala del
eje vertical derecho), no son los mismos y se ha establecido solo entre el 59;5% y
61;5% de %HRA, mientras que las medidas obtenidas con el higrómetro de
referencia, poseen un rango aproximado entre 50;0% y 72;5% de %HRA. Esta
diferencia se hace visible en la representación de las dos mediciones empleando la
misma escala, como se muestra en la parte b) de la Figura 16.
Figura 16. Comportamiento de la Humedad Relativa Atmosférica (HRA) a partir de datos
tomados con un higrómetro de referencia, contrastados con la señal adquirida del sensor de humedad del IVHRA. En a) representación en autoescala y en b) representación en la misma
escala.
El comportamiento de la señal y como tal de los valores mostrados en la Figura 16 b),
revela que los valores obtenidos por el sistema desarrollado no alcanzan las
magnitudes de los máximos y mínimos de las medidas de HRA arrojadas por el
29
sistema de referencia. Esto, luego de muchos análisis establece que la expresión
debe ser de la forma:
𝑐
( ) 𝑐 (12)
Con C1 y C2 por calcular y Vref es un voltaje de referencia o de ajuste, cuyo valor ha
sido estimado en 5.78 V. Los valores hallados para C1 y C2 son 35.730.01 V y de
0.110.01 V respectivamente.
El Instrumento Virtual desarrollado para la adquisición y medición de la humedad
relativa atmosférica, HRA, fue modificado incluyendo la expresión (11), así como
nuevas aplicaciones para ejecutar procesos estadísticos, obtener promedios hora,
día y mes y generar información periódica y transferirla a través de herramientas de
internet. La Figura 17, muestra el diagrama de bloques del Instrumento Virtual
modificado para la medida de la humedad relativa atmosférica IV-HRA.
Figura 17. Diagrama de bloque del instrumento virtual IV-HRA, modificado.
Por su parte en la Figura 18, se presenta el panel frontal del instrumento virtual
modificado y puesto en operación para la medida de la Humedad relativa
atmosférica IV-HRA.
30
Figura 18. Panel frontal del instrumento virtual IV-HRA, modificado.
Para verificar cómo se comporta el sistema de medición y adquisición de datos, la
Figura 19 presenta las medidas obtenidas con los dos sistemas de medición, el de
referencia y el IV-HRA modificado y reinstalado, donde se puede observar que en
ambos casos se tiene la misma escala.
Figura 19. Comportamiento de la Humedad Relativa Atmosférica (HRA) medida con un
Higrómetro de referencia, contrastada con la señal adquirida del sensor de humedad, por medio del IVHRA.
31
El instrumento virtual está programado para realizar mediciones de humedad
relativa en intervalos de cinco segundos. En el diseño de Instrumento Virtual (IV) se
presenta en un gráfico y en tiempo real el comportamiento de la humedad relativa al
igual que la exportación de los datos obtenidos en un archivo MS-Excel con el
propósito de captar datos a escala diaria, mensual y anual. El instrumento de
medición hace parte de la estación meteorológica que administra el grupo de
investigación FMA&ES la cual medirá la cantidad de vapor de agua a nivel de
microescala tomando como punto de referencia las instalaciones de la universidad
ubicada en el barrio Macarena.
3.6 Formación y capacitación en el manejo de la plataforma y el entorno de desarrollo de sistemas de adquisición de datos LabView.
El propósito de la presente actividad es la capacitación el manejo del software de
programación gráfica el cual es empleado en el grupo de investigación FMA&ES a la
hora de diseñar sistemas de adquisición de datos para la medición de variables
atmosféricas.
Como parte del proceso de formación profesional, se adelantaron y aprobaron
formalmente tres cursos electivos ofrecidos por el grupo FMAES a la Licenciatura en
Física, los cuales son el soporte teórico-experimental en la formación de aquellos
estudiantes que adelantan sus TG con el grupo.
Estos cursos se convierten en requisitos del proceso y son: “Principios de Física del
Estado Sólido”, desarrollado durante el periodo 2014 - 1, “Fundamentos y
aplicaciones de energía solar”, desarrollado durante el periodo 2014 - 3 e
“Instrumentación virtual y sistemas de adquisición de datos”, desarrollado durante el
periodo 2015 - 3.
Aunque los dos primeros cursos electivos relacionados, se tomaron con anticipación
a la aprobación de la propuesta de trabajo de grado, no se incluyen dentro de las
horas dedicadas al desarrollo de la pasantía.
En panel frontal se diseña la interfaz del VI (instrumento virtual) donde el usuario
realizará las mediciones y control de interés. De manera análoga a los diferentes
tipos de instrumentos que se utilizan en la industria y ciencia. Los instrumentos
virtuales cuentan con botones, perillas, gráficas que se encuentran ubicados en la
32
paleta de controles los cuales se utilizan de acuerdo de acuerdo al diagrama de
bloques realizado.
3.7 Presentación y sustentación de las distintas actividades y adelantos frente al grupo de investigación y semilleros inscritos a FMA&ES.
A lo largo del tiempo transcurrido en la ejecución de la pasantía en coordinación con
el semillero KUMANDAY asociado al grupo de investigación FMA&ES se organizó
durante los períodos académicos comprendidos entre 2015 y 2016 presentaciones
semanales que tenían como finalidad la socialización de las temas involucradas en la
recuperación, reinstalación y puesta en funcionamiento del sistema de adquisición
de datos de humedad relativa atmosférica. En cada una de las sesiones se realizaron
presentaciones con una duración de 25 minutos sobre aspectos básicos que son
prerrequisito en el estudio de medición de variables atmosféricas entre los cuales
están generalidades del sistema solar, composición y estructura interna de los
planetas, generalidades de la atmósfera planetaria, aspectos relevantes de la
atmósfera terrestre, humedad relativa atmosférica.
Como requerimiento en la formación del manejo de instrumentos virtuales fue
necesario el estudio en desarrollo de circuitos electrónicos y uso sensores al igual
que la capacitación en el manejo de software de programación gráfica.
Durante las actividades de socialización de las temáticas anteriormente mencionadas
se realizó el correspondiente estudio bibliográfico sobre física de la atmósfera y
meteorología y la participación en los cursos de formación básica en electrónica
digital, programación gráfica y sistemas de adquisición de datos, lo cual fue posible
por los cursos electivos ofrecidos por el proyecto curricular en licenciatura en Física,
fundamentos y aplicaciones de energía solar (2014-3) el cual tenía como objetivos
desde el campo teórico y conceptual ser un curso introductorio de los procesos
físicos y químicos producto de la interacción entre la atmósfera terrestre y la
radiación solar, la variación del mismo como consecuencia de los factores
astronómicos involucrados entre los cuales cabe resaltar el movimiento planetario y
por otra parte a nivel químico la alteración de la composición atmosférica.
En el campo práctico, el objetivo se centró en la medición de la radicación solar
aplicado al dimensionamiento fotovoltaico que para fines de la pasantía hace parte
33
indispensable del sistema de adquisición de datos puesto que arreglo fotovoltaico se
encarga de producir energía eléctrica y el arreglo de baterías (banco de baterías)
destinado para el almacenamiento de carga en conjunto componen el sistema de
alimentación eléctrico del instrumento.
La capacitación en la parte técnica del instrumento se realizó en el curso electivo
instrumentación virtual y sistemas de adquisición de datos (2015-3). Al finalizar el
curso el estudiante diseña programas realizados en LabVIEW con el fin de
monitorear y controlar el hardware del instrumento de medición que se basa en un
circuito electrónico digital de acuerdo a las necesidades y requerimientos que
aparecen a la hora de realizar mediciones de variables de interés como por ejemplo
los parámetros atmosféricos.
Parte de las actividades académicas programadas por el grupo FMA&ES, son la
realización de un seminario interno que se desarrolla semanalmente en dos horas y
en el que se realiza la socialización de los avances de cada uno de los diferentes
trabajos vinculados con el grupo de investigación, lo que es importante para dar a
conocer el estado del proyecto y recibir observaciones por parte de los integrantes
del grupo. Cada una de las socializaciones se ha realiza con una presentación en
diapositivas en las que se ponen en común avances y se debate sobre el tema.
Se realizó una primera presentación sobre conceptos y reseña histórica del concepto
y medida de la temperatura en el año 2015-1, allí se debatió sobre los personajes en
la historia que aportaron en el estudio y medida de la temperatura, como Galileo, y
en nuestro medio el sabio Caldas.
La segunda presentación se realizó en el mismo periodo de la primera pero esta vez
se puso en común los tipos de instrumentos existentes para medir temperatura,
desde el termómetro de alcohol y mercurio hasta los más sofisticados basados en
principios electrónicos como los dispositivos RTD, termistores, termorresistencias,
termopares, entre otros, haciendo una descripción de los fenómenos físicos
involucrados, en la medida indirecta de la temperatura.
A partir de los conceptos estudiados para cada uno de los diferentes transductores
de temperatura, se evidencian las razones por las cuales se ha optado por emplear,
como transductor de temperatura en este caso, el termistor NTC de 8.5KOhm, el cual
34
tiene como ventajas estabilidad eléctrica, sensibilidad, estabilidad mecánica, entre
otras. Los principios físicos involucrados en el desarrollo de un termistor NTC y sus
ventajas operacionales, fueron expuestos en una tercera presentación hecha tanto
en los seminarios del grupo FMAES, así como en el curso electivo de Fundamentos y
aplicaciones de Energía Solar.
Durante el periodo 2015-3 se tomó el curso electivo de “Instrumentación Virtual y
adquisición de datos”, como fundamento de formación en temas de programación
en lenguaje grafico en particular en el manejo de LabVIEW y como plataforma de
operación de los módulos de adquisición Field Point de la National Instruments, que
también se desarrolla bajo el software de programación gráfica LabVIEW de National
Instruments. Se desarrollaron diversos Instrumentos virtuales, como producto del
curso, pero en particular fue desarrollado un Instrumento Virtual (un programa en
Labview) con el que se permitiera adquirir datos de temperatura ambiente cada
cinco (5) segundos, se promedie minuto a minuto estas adquisiciones, se promedie
hora y promedio día, a partir de un termistor NTC. Sobre el desarrollo del
instrumento Virtual y en el empleo de LabVIEW, para la medida de temperatura se
hicieron dos presentaciones tanto en el curso, como en el seminario del grupo de
investigación.
En el periodo 2016-1 se realizó una serie de presentaciones respecto al
funcionamiento de termistores NTC y PTC, tomando como base los fenómenos
involucrados y descritos a partir de la física de los semiconductores, describiendo el
funcionamiento del termistor como transductor pasivo de energía. A su vez y con
estos recursos se hizo una presentación oral en el evento “XIX semana de la
enseñanza de la física, pg.7”, en el periodo 2016-3 presentando los resultados del
proyecto.
3.8 Formación en el manejo y análisis estadístico de la humedad relativa.
El procesamiento y análisis estadístico de los datos reunidos de la humedad relativa
atmosférica son la base para para formular, determinar y monitorear, junto a otros
parámetros, el estado del aire en cada momento. Para este fin, es necesario definir
las estrategias del monitoreo atmosférico que son las directrices que orientan el
proceso de la medición.
35
Entre los factores a tener en cuenta a la hora de realizar el monitoreo atmosférico se
encuentran factores geográficos los cuales están directamente relacionados con la
cantidad de puntos de medición (o muestreo) que son considerados dependiendo si
las mediciones se realizarán en regiones agrícolas o urbanas. En el caso de
mediciones en áreas urbanas, la medición de variables atmosféricas se realizará con
el fin de observar de manera continua o temporal la composición y comportamiento
del aire.
La disponibilidad y la calidad en los recursos disponibles determinan el tamaño de la
muestra, la distribución geográfica de los puntos de medición y la duración de la
misma. Cuestiones de este tipo que deben considerarse son la seguridad e
integridad de los equipos, disponibilidad de una red eléctrica y su equipo de soporte,
financiamiento a largo plazo y las condiciones de los sitios o puntos elegidos donde
se instalarán la estación meteorológica.
De acuerdo a la extensión del territorio que abarca la medición puede clasificarse en
las escalas que se presentan en la Tabla 2 La medición de variables atmosféricas
junto a la concentración de agentes contaminante del aire son los pilares del
monitoreo atmosféricos, para ambos casos las estrategias establecidas para su
respectiva observación cumplen con los mismos requerimientos y en casos a nivel
investigativo son en conjunto necesarios (Martínez & Isabelle, 2016).
Tabla 2. Niveles de escala para el monitoreo de variables atmosféricas.
36
3.9 Registro y análisis estadístico de los datos obtenidos.
Ante diferentes eventos causados por el traslado de la estación FMAES, y las
continuas instalaciones y des-instalaciones, a los sistemas de adquisición de datos,
que han afectado la continuidad en la construcción de las bases de datos, se
contempló a mediados del 2014 la reconfiguración y reinstalación de dichos sistemas
de adquisición, que incluyera a su vez la actualización de la plataforma software, así
como la re-calibración de todos y cada uno de los diferentes componentes de la
estación y el mejoramiento de los diferentes instrumentos virtuales asociados.
Una vez puesta en operación el sistema de adquisición para la medida de
temperatura a finales del 2015 en su fase de prueba y antes de determinarse la
intervención de la cúpula en el mes de marzo de 2016, en donde se encuentran los
espacios físicos donde se desarrollan las actividades del grupo FAMES, se adquirieron
datos de temperatura ambiente y otras variables en forma preliminar durante 52
días, en forma continua desde el 18 de enero de 2016 al 12 de marzo de 2016. Cabe
destacar que no fue posible para ese momento construir la garita meteorológica, con
lo que se completarían los compromisos adquiridos.
La información es tomada cada cinco (5) segundos y promediada cada 12
adquisiciones, esto es, se obtiene un promedio cada minuto durante las 24 horas.
A partir de la base de datos es posible analizar el comportamiento de la temperatura
diaria, mensual y anual en series de tiempo, esto siempre que se garantice la
estabilidad en la operación permanente de los sistemas de medición. La ¡Error! No
e encuentra el origen de la referencia. Presenta el mes de febrero de 2016, el cual
se obtuvo en forma completa, antes de que se intervinieran las áreas donde opera el
grupo FMAES. Se puede observar el comportamiento de las temperaturas mínimas,
promedio y máximas diarias para el mes de febrero de 2016.
3.10 Contraste con los datos de humedad relativa registrados por las redes oficiales.
Luego de la reinstalación del sistema de adquisición de datos se obtuvo las primeras
mediciones de humedad relativa entre los meses de enero y febrero del año 2016
pero de manera irregular, para lo cual se obtuvo el correspondiente conjunto de
datos.
37
3.11 Redacción y presentación de artículos a revistas indexadas de ciencias.
Tomando como base el trabajo preparado para la ponencia a ser presentada en la
XIX SEMANA DE LA ENSEÑANZA DE LA FISICA, se desarrolló un artículo, que ha sido
complementado con los análisis de las últimas realizadas a finales del 2015 y
comienzos del 2016. Este artículo puede verse en el anexo, al final de este
documento.
3.12 Presentación de los avances en eventos locales y/o internacionales relacionados con la actividad del licenciado en Física en temas como la Física del medio ambiente.
En la participación de eventos relacionados con el tema de la pasantía, este trabajo
se presentó con la ponencia oral “MEDIDA DE LA HUMEDAD RELATIVA
ATMOSFÉRICA A PARTIR DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
DESARROLLADO CON INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL en la versión XIX de la semana
de la enseñanza de la Física la cual se realizó en el mes de octubre del año 2016 en
las instalaciones de la universidad distrital Francisco José de Caldas en la Facultad de
Ciencias y Educación sede Macarena B el día 27 de octubre de 2016. Los temas
tratados en la ponencia reúnen las temáticas principales del trabajo realizado en la
pasantía entre los cuales se encuentran las generalidades de la atmósfera, humedad
relativa atmosférica, descripción del funcionamiento del sensor de humedad
relativa, desarrollo del instrumento virtual y manejo de Plataforma de
instrumentación virtual desarrollada a partir de lenguaje de programación gráfica
(lenguaje de código G) mediante el uso del software LabView en sus versiones 8.2 y
8.5. El trabajo fue reconocido y premiado como uno de los mejores del evento. En
los ANEXOS. se presenta el certificado de participación como ponente en el evento
mencionado.
Mediante esta ponencia se socializó el diseño y la arquitectura del Instrumento
Virtual desarrollado, actualizado y ajustado respecto a la anterior versión, se hizo
descripción de los parámetros de operación del sistema de adquisición, los
mecanismos físicos y fenómenos asociados al funcionamiento de transductor HS
1100 como sensor de humedad relativa, las características del circuito eléctrico que
soporta la operación del IV, así como, una descripción básica estadística de datos,
resultados de la medición a partir del IV desarrollado.
38
3.13 Redacción y presentación del informe final.
Durante el tiempo en que se desarrolló el trabajo de pasantía y de manera paralela a
la realización de las actividades específicas del mismo se redactó el presente
informe. De manera periódica se realizó procesos de retroalimentación al
documento con el fin de evaluar la pertinencia en lo referente a estilo de redacción,
inclusión de temáticas en el caso de la revisión bibliográfica de los conceptos físicos y
técnicos relevantes a la hora de estudiar los aspectos generales de la física
atmosférica y reconfiguración del instrumento virtual destinado en a la medición y
monitoreo de la humedad relativa atmosférica de manera continua y en tiempo real.
De igual forma el proceso de redacción implicó en todo momento la búsqueda y
revisión bibliográfica de temáticas relacionadas con el tema que en el presente
documento se desarrolla los cuales están presentes de forma implícita y su
relevancia vale la pena destacar, por nombrar algunas de éstas se encuentran
generalidades del sistema solar, aplicación de la termodinámica en la descripción de
parámetros ambientales, introducción a la electrónica digital, generalidades de la
atmósfera planetaria, nuevas técnicas de medición de variables atmosféricas entre
otras las cuales ayudaron a contextualizar la importancia de la reinstalación del
sistema del sistema de adquisición de datos.
3.14 Oportunidades de Mejora.
Con el levantamiento de información realizado y su respectiva identificación por
fuentes de consumo, es posible estudiar la sustitución de fuente de energía
convencional por alguna de tipo renovable que esté en condiciones de satisfacer la
demanda exigida, para tal fin contando con las mediciones de radiación solar, así
como velocidades del viento en el edificio de laboratorios macarena B, se plantea
como oportunidad de mejora estudiar la viabilidad de implementar un sistema de
generación de energía a partir de fuentes renovables, en este caso energía solar o
eólica, cuyo objetivo sea satisfacer la demanda de energía para los equipos de
laboratorio, equipos electrónicos, de refrigeración o de iluminación que se
encuentran en el edificio Macarena B. En tal sentido el cálculo del potencial eólico y
solar, comparado con los consumos discriminados en las fuentes de consumo puede
arrojar resultados sobre la viabilidad de un proyecto en dicha dirección.
39
4 EXPERIENCIA ADQUIRIDA.
Durante la pasantía fue necesario realizar procesos de formación autónoma y
dirigida, en este caso por el profesor Nelson Forero, lo cual fue básico al igual que
necesario a la hora de cumplir con las actividades programas. Por otra parte, las
socializaciones programas por el grupo KUMANDAY contribuyeron a seleccionar,
resumir y comprender cada vez más los conceptos implicados. Algunos de los temas
aprendidos no están presentes en el trabajo o no salen a resaltar en los capítulos del
presente documento pero sin estos sería para mí una tarea imposible de realizar
porque fueron necesarios a la hora de comprender y contextualizar la importancia
actual de la medición y monitoreo de las variables atmosféricas.
De manera paralela, los retos y dificultades que se presentaron (en especial aquellos
factores y obstáculos externos a las actividades de la pasantía cuya que su solución
dependía de la gestión de la misma universidad) me brindó la oportunidad de
conocer la naturaleza de la experimentación misma, el funcionamiento de las
instituciones académicas y lo más importante, puso a prueba mi deseo y ánimo de
convertirme en un profesional de la enseñanza de la física.
Reinstalar y dejar en un funcionamiento el sistema de adquisición de datos de
humedad relativa implicó aplomar mis habilidades y conocimientos, identificar
errores al igual que superarlos, lo cual es la esencia de la formación profesional. Otro
aspecto fundamental en mi proceso fue el hecho de extraer información,
reestructurar y aprender otra narrativa con el fin de realizar un artículo y someterlo
a su publicación en revistas de divulgación o de interés científico al igual la
participación como ponente en la semana de la enseñanza de la física me abren el
camino para pensar en mi siguiente paso fuera de la universidad y me deja la
experiencia invaluable en lo referente a la redacción de textos científicos.
40
5 CONCLUSIONES
El presente trabajo permitió aplicar los conocimientos de física general e
instrumentación electrónica, aun así a lo largo y ancho del proceso fue necesario
analizar, ampliar los conocimientos en campos específicos de la ciencia en particular
lo referente a procesos atmosféricos, elementos de electrónica básica y sistema de
programación los cuales son la base para comprender y desarrollas las actividades
planteadas. De manera sistemática se resolvió la situación planteada que consistía
en revisar y entregar en condiciones de funcionamiento del instrumento virtual con
el fin de reanudar las mediciones de humedad relativa atmosférica, lo que implica la
verificación de los componentes del sistema de adquisición de datos, la comprensión
de funcionamiento en lo referente al software al igual que de hardware, para este
último fue necesario la verificación del estado de sus componentes eléctricos, la
comprensión de los procesos eléctricos que permiten el funcionamiento del sensor
involucrado y las condiciones de operación del mismo.
En particular, se revisó el diseño y el sistema desarrollado a partir del instrumento
virtual para la medida de la humedad relativa atmosférica, mediante el uso de un
transductor capacitivo, bajo el lenguaje de programación gráfica LabVIEW y los
módulos de comunicación y adquisición de la national instrument Compact Field
Point(cFP) 2020, cFP-AI-100 y cFPTC-120, que permite la visualización mediante el
panel frontal del instrumento virtual del valor de la humedad relativa atmosférica de
manera numérica y gráfica, en tiempo real en intervalos ajustables.
41
6 BIBLIOGRAFÍA.
Ametek Power Instruments. (s.f.). Distance to fault (DTF32) Operation manual (1083-
615 Rev. A ed.). Rochester, NY.
Ametek Power Instruments. (s.f.). TR-2100 Multi-function Recorder Operation
Manual (Doc. No. 1086-816 Rev. A ed.). Rochester, New York.
Andrews, D. (2010). An introduction to ATMOSPHERIC PHYSICS. New York:
CAMBRIGDE UNIVERSITY PRESS.
Arango, O. (2006). Análisis de estabilidad de voltaje en tiempo real. Universidad
Pontificia Bolivariana.
Arbiter Systems Inc. (2012). Products: Model 1133A Power Sentinel. Retrieved 2012,
from http://www.arbiter.com/
Arbiter Systems, INC. (2012). Model 1133A Power Sentinel GPS-Synchronyzed, Power
Quality, Revenue Standard Operation Manual. Paso Robles, California, U.S.A.:
www.arbiter.com.
Biografías y Vidas, S.C.P. (2010). Biografía de Charles Proteus Steinmetz. Recuperado
el 2 de Abril de 2010, de
http://www.biografiasyvidas.com/biografia/s/steinmetz.htm
Boria, V., Rodrigo, V., San Blas, A., Soto, P., & Bachiller, C. (2002). Líneas de
transmisión. Valencia, España: Universidad Politécnica de Valencia.
Checa, L. M. (1988). Líneas de Transporte de Energía. Zaragoza: Marcombo.
Cimadevilla, R. (2009). Fundamentos de la medición de sincrofasores. XIII Encuentro
regional iberoamericano de CIGRE. Puerto Iguazú.
Coca, S. R. (2002). Introducción a la meteorología. México: Universidad Autónoma de
Baja California.
Comisión Reguladora de Energía y Gas CREG. (2000). Resolución CREG 061. Bogotá:
República de Colombia.
42
EcoAdapt. (2014). CAMBIO CLIMÁTICO Y AGUA: UNA ADAPTACIÓN CLAVE PARA LA
ADAPTACIÓN. CHile.
García , M. C., Piñeros, A., Fabio , A. B., & Estefanía, A. (2012). Variabilidad climática,
cambio climático y el recurso hídrico en Colombia. Revista de Ingeniería.
Universidad de los Andes , 60-64.
Gonzalez - Longatt, F. M. (s.f.). ELC 30514 Sistemas de Potencia I. Recuperado el Junio
de 2010, de sitio Web Francisco M. Gonzalez - Longatt:
http://www.fglongatt.org.ve
Grainger, J. J., & Stevenson Jr., W. D. (2002). Análisis de sistemas de potencia (Primera
edición ed.). (M.-H. d. C.V., Ed., & C. Lozano Sousa, Trad.) McGraw-Hill, Inc.
U.S.A.
Hall, A., & Manabe, S. (2000). Effect of water vapor feeback on internal and
anthropogenic variations of the global hydrologic cycle. JOURNAL OF
GEOFHYSICAL RESEARCH, 6935-6944.
Hart, D. G. (s.f.). Unidades PMU, Supervisión de las Redes Eléctricas: Un nuevo
enfoque.
HUMIREL. (20 de 04 de 2015). Sigma electrónica. Obtenido de Sigma electronica :
http://www.sigmaelectronica.net/
IEEE Power Engineering Society. (2006). IEEE Std. C.37.118-2005. Standar for
Synchrophasors for Power Systems. New York: IEEE.
Indarraga, G. M., Hernández Riveros, J. A., & Valencia Rodríguez, R. (Noviembre de
2004). Algoritmos para localización de fallas en líneas de transmisión, análisis
para el caso colombiano. Dyna(143), 95-100.
Ingeniería Internacional en Automatización y Control SAS. (2012). Productos: TR-
2000. Recuperado el 2012, de http://www.iacsas.com.co
43
International Energy Agency. (9 de Noviembre de 2010). Press Releases:
International Energy Agency. Recuperado el 24 de Marzo de 2011, de
http://www.iea.org
Jované, J. (2009). Utilización de sincrofasores para incrementar la capacidad del
sistema sin adicionar infraestructura adicional. En A. S. Inc. (Ed.), II Congreso
Venezolano de rédes y energía eléctrica. Margarita.
Martínez, A. P., & Isabelle, R. (12 de Marzo de 2016). Biblioteca virtual de desarrollo
sostenible y salud ambiental. Obtenido de Biblioteca virtual de desarrollo
sostenible y salud ambiental: http://www.bvsde.ops-
oms.org/bvsci/e/fulltext/intromon/intromon.html
Miranda Pérez, D. (2008). Estado y Desarrollo de la Tecnología SmartGrid en
Colombia. Universidad Nacional de Colombia, Facultad de Minas, Escuela de
Ingeniería Eléctrica, Mecánica y Control.
Mohanakumar, K. (2008). Stratrosphere Troposphere Interactions. India: Springer.
Mora Flórez, J. J. (2006). Localización de faltas en sistemas de distribución de energía
eléctrica usando métodos basados en el modelo y métodos basados en el
conocimiento. Tesis Programa de Doctorado en Tecnologías de la
Información. Universitat de Girona, España.
NASA. (15 de 08 de 2016). National Aeronautics and Space Administration (NASA).
Obtenido de National Aeronautics and Space Administration (NASA):
https://www.nasa.gov/mission_pages/calipso/mission/index.html
Omicron Electronics. (2010). CMC 356 Reference Manual.
Omicron Electronics. (2010). Test Universe - Protection Package User Manual.
Omicron Electronics. (2012). Productos y servicios: CMC 356. Recuperado el 2012, de
http://www.omicron.at
44
Ordóñes Plata, G. (2002). Perturbaciones en la onda de tensión: Huecos y
sobretensiones. Cartagena, Colombia: Universidad Industrial de Santander -
UIS.
Phadke, A. G., Volskis, H., Menezes de Moraes, R., Bi, T., Nayak, R. N., Sehgal, Y. K., . .
. Kulikov, Y. A. (2008). The Wide World of Wide - Area Measurement. IEEE
Power and Energy Magazine, VI(5), 52-65.
Phadke, A., & Thorp, J. (2008). Synchronized phasor measurements and their
aplications. New York: Springer.
Ramírez, C. F. (2003). Subestaciones de alta y extra alta tensión. Medellín: Mejía
Villegas S.A.
República de Colombia. (1993). Ley 99. Art. 57.
Resolución CREG 070. (1998). Comisión Reguladora de Energía y Gas. República de
Colombia.
Saha, M. M., Izykowski, J., & Rosolowski, E. (2009). Fault location on power networks.
Lóndres: Springer.
Standard, I. (1995). IEEE Standard for Synchrophasors. New York: copyright 1996 by
IEEE.
T. Takagi, Y. Y. (1981). A New Algorithm of an Accurate Fault Location for EHV/UHV
Transmission Lines: Part I Fourier Transformation Method. EEUU: IEEE
Transactions on Power Apparatus and Systems.
T. Takagi, Y. Y. (1982). A New Algorithm of an Accurate Fault Location for EHV/UHV
Transmission Lines: Part II- Laplace Transform Method. EEUU: IEEE
Transactions onPower Apparatus and Systems.
Tleis, N. D. (2008). Power System Modelling and Fault Analysis. Oxford: Elsevier Ltd.
45
7 ANEXOS.
La Figura 20, muestra el certificado de participación con la ponencia “DESCRIPCIÓN Y
DESEMPEÑO DE UN SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DE TEMPERATURA
AMBIENTE A PARTIR DE INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL” presentado en el evento de la
Semana de la Enseñanza de la Física, 2016.
Figura 20: Certificado de presentación de ponencia en la XIX SEMANA DE ENSEÑANZA DE LA
FÍSICA -2016.
Por su parte y a continuación se muestra el trabajo desarrollado y presentado como
ponencia en el citado evento.
