2010AJIEE-1.pdf

Diseño y construcción de un sistema de
medición de temperatura ambiental, velocidad y
dirección del viento en base a sensores
ultrasónicos
Ing. Alexandra Flores, Ing. Diego Meneses, Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología; Nelson
Sotomayor, MSc., Escuela Politécnica Nacional (EPN), Quito - Ecuador
Resumen – El objetivo del proyecto es demostrar la influencia
del viento y la temperatura del medio en la velocidad de
transmisión de las ondas ultrasónicas, y aprovechar este efecto
para desarrollar un anemómetro y termómetro. Los parámetros
medidos son presentados en forma análoga y digital.
Adicionalmente son almacenados en forma periódica.
La configuración, monitoreo y descarga de datos es realizada a
través de la interfaz serial RS-232.
El sistema es controlado por el procesador de señales
dsPIC30F3011, el cual produce una señal de 40KHz necesaria
para la generación de la onda ultrasónicas, y permite medir el
tiempo de vuelo de la señal mediante el conversor A/D integrado
y un comparador externo.
El sistema cuenta con cuatro transductores orientados en los ejes
Norte-Sur y Este-Oeste. El tiempo de vuelo es medido en las
cuatro direcciones posibles, con el fin de calcular la velocidad y la
temperatura en cada uno de los ejes, a través de los algoritmos
de la inversa de los tiempos de vuelo.
Con las velocidades en cada eje se realiza una suma vectorial
para determinar la dirección y velocidad total del viento. La
temperatura se obtiene del promedio de las temperaturas
medidas en cada eje.
Índices – Anemómetro, Sensores Ultrasónicos, DSPIC30F3011,
Temperatura.
velocidades de un fluido sobre una señal generada desde un
transmisor hacia un receptor.
Fig. 1. Esquema básico de medición
Considerando una onda acústica monocromática que se
transmite de forma que su amplitud y dirección de
propagación varían muy poco a lo largo de distancias del
orden de la longitud de onda, es posible ignorar la naturaleza
ondulatoria del sonido y considerar que su transmisión es a lo
largo de líneas, llamados rayos, cuyas tangentes en cada punto
tienen la misma dirección de propagación que el frente de
onda.
Por lo que es posible aplicar el concepto de velocidades
relativas para la velocidad de transmisión del sonido y la
velocidad del viento. De allí se obtiene las expresiones:
I. FUNDAMENTOS BASICOS
El viento en la atmósfera es una magnitud vectorial,
considerada en términos de tres componentes, ubicándose dos
de ellos en un plano paralelo a la superficie de la Tierra, y el
tercero perpendicular a ese plano. Con fines meteorológicos la
componente vertical es despreciada, considerándose por lo
tanto el viento en superficie como una cantidad vectorial en
dos dimensiones.
La medición de la velocidad del viento utilizando señales de
ultrasonido se basa en la influencia del campo de las
Este trabajo fue realizado con el apoyo del Instituto Nacional de
Meteorología de Quito-Ecuador
A. Flores, (e-mail: [email protected]).
D. Meneses, (e-mail: [email protected])
N. Sotomayor, es Profesor Principal T/C en la Facultad de Ingeniería
Eléctrica y Electrónica de La Escuela Politécnica Nacional, Quito-Ecuador, (email: [email protected]).
l
(1)
t1
l
v 2 = c − v w = (2)
t2
v1 = c + v w =
Resolviendo se tiene:
vw =
l ⎛1 1 ⎞
⎜ − ⎟
2 ⎝ t1 t 2 ⎠
Donde:
c es la velocidad del sonido en [m/s]
(3)
v1 es la velocidad de la onda ultrasónica en una dirección en A. Diseño Mecánico
[m/s]
v2 es la velocidad de la onda ultrasónica en la dirección
contraria en [m/s]
l es la distancia en el eje entre los sensores en [m]
v w es la velocidad del viento paralelo al eje en [m/s]
Los transductores ultrasónicos y el circuito electrónico son
montados en una estructura metálica de acero inoxidable. La
distancia que se mantiene entre los transductores es de 20 cm
para obtener un tiempo de vuelo de 582 µs cuando la
velocidad del viento es 0 m/s a 20ºC.
t1 es el tiempo que tarda la señal en viajar del transmisor x1 a
x2 en [s]
t 2 es el tiempo que tarda la señal en viajar del transmisor de
x2 a x1 en [s]
Cada soporte está colocado a 15cm del nivel más alto de la
estructura para asegurar que la misma no interfiera en el haz
ultrasónico.
De igual forma la velocidad isoentrópica del sonido en un gas
(aire) depende de la temperatura, humedad, presión y densidad
del mismo. Sin embargo se pueden despreciar ciertos
parámetros que no la afectan considerablemente.
La relación fundamental entre la velocidad de transmisión del
ultrasonido y la temperatura del aire está dada por la relación:
Los soportes se colocaron a 90 grados entre ellos con la
finalidad de formar un plano cartesiano que facilite el cálculo
del módulo de la velocidad y su dirección.
c = 20.055 T (4)
Donde:
T
es la temperatura del gas (aire) en [ºK]
La velocidad del ultrasonido puede ser encontrada con la
suma de los inversos de los tiempos de vuelo. Sumando las
ecuaciones (1) y (2) se puede obtener:
2c =
Reemplazando
la temperatura:
c
l
l
+
t1 t 2
(5)
de (4) en (5) se puede encontrar finalmente
l2 ⎛ 1 1 ⎞
T=
⎜ + ⎟
1608 ⎝ t1 t 2 ⎠
II.
2
(6)
DISEÑO DEL PROTOTIPO
El esquema general del prototipo se muestra en la figura:
Fig. 3. Estructura mecánica.
B. Acondicionamiento De La Señal
El prototipo cuenta con cuatro transductores ultrasónicos
orientados en dos ejes: Norte-Sur y Este-Oeste
Como los sensores funcionan tanto como transmisores o
receptores, se utiliza el switch análogo CD4052BP para
conmutar a los transductores y hacerlos funcionar como
transmisores enviándoles una onda cuadrada, o como
receptores enviando su señal a un amplificador.
El switch es manejado por el microcontrolador para la
selección (canal en baja impedancia) o inhibición (canal en
muy alta impedancia) de los pines de los transductores.
Fig. 2. Diagrama de bloques del sistema.
Se utiliza un amplificador de dos etapas para acondicionar la
señal sinusoidal que entrega el receptor ultrasónico, que es de
aproximadamente unos 20 a 30mV p-p. La señal amplificada
tiene una amplitud de 4 a 6Vp-p, que posteriormente ingresa a
una etapa de filtrado.
Se construyó un filtro activo pasa banda de frecuencia central
40Khz y factor de calidad Q=10.
La señal filtrada se envía al CAD del microcontrolador para
digitalizar la onda con una resolución de 4.9mV y tomar
aproximadamente 25 muestras por ciclo. Con los valores
obtenidos se puede determinar el inicio de la onda y el número
del ciclo en el que se encuentra la conversión de la señal
ultrasónica.
Fig. 4. Esquema de posición de los traductores.
1) Transmisión
La señal generada a través del módulo OC (Ouput Compare)
del microcontrolador es una onda cuadrada periódica de
cuatro ciclos que es enviada a cada transductor por turnos
hasta completar un ciclo de medida en los dos ejes y en las dos
direcciones por eje.
La señal filtrada a su vez se compara con una referencia,
cuando la señal es mayor a 3.3V el comparador entrega a su
salida un voltaje de 5V (1 lógico), en caso contrario se obtiene
0V (0 lógico). Este comparador permite determinar por lo
tanto el inicio de cada ciclo de la onda.
La salida del operacional se ingresa a un puerto del
microcontrolador configurado como interrupción externa.
El microcontrolador determina el tiempo de vuelo de la onda
deteniendo un temporizador que empieza su cuenta cuando se
envía la onda cuadrada y detiene cuando se detecta el tercer
ciclo de la onda con su respectivo cruce por la referencia.
Fig. 5. Forma de onda generada.
2) Recepción
La señal recibida es una onda de 40Khz de amplitud variable,
como se muestra en la Fig. 6:
Fig. 7. Esquema de acondicionamiento
Fig. 8. Tratamiento de la señal ultrasónica.
C. Almacenamiento de Datos
Fig. 6. Forma de onda señal ultrasónica
El anemómetro cuenta en su interior con un banco de
memorias no volátiles de tipo EEPROM para almacenar los
datos periódicamente. Se utilizan cuatro memorias 24LC1025
que poseen comunicación I2C en modo esclavo para la lectura
y/o escritura de sus registros. Tienen capacidad de almacenar
128Kb x 8 (1024Kbits) con un millón de ciclos lecturaescritura.
Los valores de la medición son almacenados conjuntamente
con fecha y hora para lo cual se consulta el reloj en tiempo
real RTC DS1307 que utiliza igualmente comunicación I2C.
Los datos de velocidad y dirección del viento junto con
temperatura, fecha y hora son almacenados en un espacio de
memoria de 8 bytes.
D. Conversores Digital-Análogos
Fig. 10. Interfaz de monitoreo
Se utilizan los conversores digital-análogo MCP4921 para
permitir que el anemómetro ultrasónico envié la información
de velocidad, dirección y temperatura instantánea al
datalogger de una estación meteorológica automática.
Los datos calculados por el microcontrolador son enviados a
las DAC mediante el protocolo de comunicación SPI, las
cuales entregan a su salida un valor de voltaje proporcional al
de la variable que representan.
E. HMI
La interfaz fue desarrollada en LabVIEW 6.1 y permite
realizar la configuración, monitoreo y descarga de datos.
En la configuración se puede establecer la fecha, hora, el
puerto serial, el periodo de almacenamiento y el periodo de
muestreo del sensor.
En el monitoreo se puede verificar el funcionamiento del
sensor en tiempo real; y en la descarga de datos es posible
recoger los datos guardados en las memorias para su posterior
análisis en la PC.
Fig. 9. Interfaz de configuración
Fig. 11. Interfaz de descarga de datos
III. PRUEBAS Y RESULTADOS
Se realizaron algunas pruebas para analizar el comportamiento
del sistema en diversas condiciones.
a) Para estimar la exactitud y precisión del equipo se lo
comparó con el sensor comercial WXT510 en el túnel de
viento del laboratorio de fluidos de la Facultad de Mecánica
de la EPN. Los resultados se muestran a continuación:
Fig. 12. Resultados obtenidos WXT510 y el Prototipo (velocidad
ascendente)
TABLA I
ESPECIFICACIONES GENERALES DEL PROTOTIPO
Rango de
medida
Precisión
Velocidad del
viento
0 a 25 [m/s]
± 0.3 [m/s]
(de 0a
20m/s)
0.1 [m/s]
[m/s];
[km/h];
[mill/h]
0 a 359°
Resolución
Unidades
Fig. 13. Resultados obtenidos WXT510 y el Prototipo (velocidad
descendente)
En el mismo túnel de viento, girando al sensor en pasos de 30º
se obtuvieron los siguientes resultados:
Rango de
medida
Precisión
Resolución
Unidades
Rango de
medida
Precisión
Dirección del
viento
DIRECCION [ ° ]
350
Temperatura
ambiente
300
250
± 3°
1°
[grados]
0 a 50 [°C]
± 0.25 [°C]
(de 6 a
21ºC)
0.1 [°C]
[°C]; [°F]
200
150
100
50
Resolución
Unidades
14:11:30
14:10:51
14:10:36
14:10:18
14:10:03
14:09:48
14:09:30
14:08:43
14:08:26
14:08:09
14:07:53
14:07:24
14:07:00
14:06:44
14:06:29
14:06:14
14:05:55
14:05:33
14:05:18
14:05:00
14:04:41
14:03:46
0
Fig. 14. Resultados obtenidos Prototipo (dirección)
Para la temperatura se sometió al sensor a un ambiente
controlado en un rango de 1 a 20 ºC, los resultados
comparados con los del sensor comercial ERTCO 4400 se
muestran en la Fig. 15.
b) Se colocó el prototipo en la intemperie por un periodo
48 horas en las instalaciones del INAMHI, comparando
respuesta con el sensor WXT510 y el anemómetro
cazoletas WMS302. Los resultados se muestran
continuación:
Magnitud y direccion del viento [m/s]
5
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-5
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
3,0
4,0
5,0
Fig. 15. Resultados obtenidos WXT510 y el Prototipo
Fig. 16. Respuesta Prototipo
De cada una de las pruebas se obtuvo la desviación estándar y
el error absoluto, pudiéndose estimar la precisión y exactitud
del sistema.
Magnitud y direccion del viento [m/s]
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
-2,0
-3,0
-4,0
-5,0
-5,0
-4,0
-3,0
-2,0
-1,0
0,0
1,0
2,0
Fig. 17. Respuesta WMS320
de
su
de
a
ruido provocado por factores externos. Por lo que es necesario
implementar un mecanismo de validación de los datos
obtenidos con el fin de evitar mediciones y cálculos erróneos.
Para aplacar estos efectos es de utilidad utilizar elementos de
rápida conmutación y bajo ruido.
Magnitud y direccion del viento [m/s]
4
3
2
1
0
-1
-2
-3
-4
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Fig. 18. Respuesta WXT510
A continuación se muestran los datos medidos para
temperatura:
TEMPERATURA[oC]
La distancia entre dos transductores debe ser exacta e idéntica
en los dos ejes de medida para evitar errores en el cálculo.
Además la estructura debe asegurar estabilidad, debido a que
un mínimo cambio en la distancia de los traductores cambia
considerablemente el tiempo de vuelo de la señal.
Los dataloggers utilizados en meteorología disponen de varios
canales análogos y digitales. Es importante que el sistema
diseñado sea compatible con estos equipos por lo que se
usaron conversores D/A que permiten tener salidas
estandarizadas de 0-5V adecuadas para la conexión a
cualquier datalogger comercial.
25
23
21
19
17
Prototipo
15
WXT510
13
11
9
7
23/05/09
23:25
21:15
19:06
16:57
14:48
12:38
8:20
10:29
6:11
4:01
1:52
23:43
21:33
19:24
17:14
15:05
8:38
12:56
6:29
10:47
4:19
2:10
0:00
5
24/05/09
El banco de memorias interno actúa como sistema de respaldo
cuando el datologger no se encuentra en funcionamiento,
además permite darle cierta autonomía al sistema en caso de
ser necesario.
Los procesadores digitales de señal poseen mayores recursos
que los microcontroladores comunes. Su ventaja principal se
encuentra en la velocidad de procesamiento, que permite tratar
señales como el ultrasonido. En el proyecto presente esto es
fundamental ya que permite tener una resolución en el tiempo
de vuelo de 33.92 ns.
Fig. 19. Respuesta temperatura
La variabilidad de la señal ultrasónica hace difícil determinar
su recepción desde el primer ciclo. Por lo que para establecer
el tiempo de llegada, la señal se detecta cuando sobrepasa por
primera vez un cierto nivel de amplitud, que indica el arribo
del tercer ciclo de la señal. Para el cálculo de la velocidad y
dirección, se resta un tiempo de compensación preestablecido
a los tiempos medidos.
V. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen la colaboración prestada en el
desarrollo de este proyecto al Instituto Nacional de
Meteorología e Hidrología así como al Laboratorio de Fluidos
de la Facultad de Mecánica de la Escuela Politécnica
Nacional.
VI. REFERENCIAS
[1] RAYMOND A. SERWAY, JERRY S. FAUGHN, CLEMENT J. MOSES,
“Fisica”, 2005, Sexta Edición.
[2] RICHARD FEYMAN, “Física”, Volumen 1, 1987, Tercera Edición.
Fig.20. Prototipo de sistema de medición de temperatura ambiental,
velocidad, y dirección del viento
IV. CONCLUSIONES
Las características de la señal ultrasónica como amplitud
variable, relación de crecimiento y decrecimiento inconstante
y bajo rango de voltaje, hacen que la señal sea susceptible a
[3] ROBERT F. COUGHLIN, FREDERICK F. DRISCOLL, “Amplificadores
operacionales y circuitos integrados lineales”, 1999, Quinta edición.
[4] ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE METEOROLOGÍA, “Compendio de
apuntes sobre instrumentos Meteorológicos”, Nº 622, 2007, página 203
[5] SERGIO GWIRC, FERNANDO FERDEGHINI, AGATA COMASTRI,
DANIEL LUPI, “Sensores Ultrasónicos: Respuesta A Distintas Formas De
Onda De Emisión”, Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI)Argentina,
[6] DANIEL O. LUPI, DIEGO J. BRENGI Y ANDRÉS TRAPANOTTO,
“Sensor de temperatura ambiental por Ultrasonido”, Instituto Nacional de
Tecnología
Industrial,
2007,
http://utic.inti.gov.ar/proyectos/setepus/index.html
[7] SEBASTIÁN N. FRANCHINI, “Fuentes de Incertidumbre en
Anemometría Sonica”, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid,
2006.
VII. BIOGRAFÍAS
Alexandra Flores , nació en Quito el 3 de
Junio de 1985. Realizó sus estudio
secundarios en el Colegio Nacional de
Señoritas Hipatia Cárdenas de Bustamante
obteniendo el título de Bachiller en ciencias
Especialidad Físico Matemático y Auxiliar
Técnico en Electrónica, graduándose como
mejor egresada promoción 2003. Recibió su
título de Ingeniera Electrónica con
especialización en Control en la Escuela
Politécnica Nacional en el 2009.
Áreas de interés: Instrumentación, microprocesadores, y control
industrial. ([email protected])
Diego Meneses, nació en Riobamba el 26 de
Agosto de 1985. Realizó
sus estudios
secundarios en la Unidad Educativa San
Felipe Neri y en el Instituto Tecnológico
Superior Carlos Cisneros, obteniendo los
títulos
de
Bachiller
en
ciencias
Especialización Físico Matemático y
Bachiller
Técnico
especialización
Electrónica. Obtuvo su título de Ingeniero en
Electrónica y Control en la Escuela
Politécnica Nacional en el 2009.
Áreas de interés: Instrumentación, microprocesadores y control
industrial, idiomas. ([email protected])
Nelson Sotomayor, nació en Quito-Ecuador
el 9 de Septiembre de 1971. Realizó sus
estudios secundarios en el Instituto Nacional
Mejía. Se graduó en la Escuela Politécnica
Nacional como Ingeniero en Electrónica y
Control en 1999. Obtuvo su título de
Magíster en Ingeniería industrial en junio del
2006. Participó en el Cuarto Curso
Internacional de Robótica Aplicada (IV
CIRA) en el Centro Nacional de
Actualización Docente ubicado en México DF en septiembre del
2008. Actualmente desempeña el cargo de Profesor Principal T/C en
el Departamento de Automatización y Control Industrial de la
Escuela Politécnica Nacional. Además es miembro de la subcomisión
académica permanente de la Carrera de Ingeniería en Electrónica y
Control.
Áreas de interés: robótica móvil, informática y redes,
microcontroladores, automatización y control industrial.
([email protected])