metodologia de diseño para implementar un sistema de adquisicion
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Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE INGENIERIAS Y ARQUITECTURAS PROGRAMA DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA TRABAJO PRESENTADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRÓNICO METODOLOGIA DE DISEÑO PARA IMPLEMENTAR UN SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS METEOROLOGICOS PARA AEROPUERTOS. Autor: Edgar Yesid Mendoza Rozo Director: Ing. Esp. Jorge Enrique Herrera Rubio Pamplona Colombia, mayo del 2006 Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Si piensas que estas vencido, lo estas. Si piensas que no te atreves, así es. Si te gusta ganar pero piensas que no puedes, Es casi seguro: no ganarás. Si piensas que perderás, estás perdido, Pues el mundo nos enseña Que el éxito empieza en la voluntad del hombre. Todo está en el estado de ánimo. Si piensas que eres superior, lo eres. Has tenido que pensar alto para ascender, Has tenido que estar seguro de ti mismo Antes de ganar ningún premio. Las batallas de la vida no siempre favorecen Al hombre más fuerte o al más rápido, Pero tarde o temprano el hombre que gana ¡ Es el hombre que cree que puede ! Napoleón Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos DEDICATORIA A Dios nuestro divino, creador que siempre me ha llevado de la mano y me ha permitido tener para cosechar, así como también la oportunidad de acumular, las experiencias que han servido de base para la realización de este proyecto que realicé llenándome de alegría y motivación… A mi madre Guillermina Rozo Ordóñez por ser la mujer a quien admiro, respeto y amo, que siempre procuró mi bienestar y me formó como persona, A mi padre Bernardo Heli Mendoza Villamizar quien me enseñó que en la vida con dedicación y esfuerzo todos los propósitos anhelados se pueden conseguir. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos DICATORIA A mis hermanos, Nelly, Alonso, Diana y Jonathan, a mis tíos, primos, abuelos y sobrinos, quienes con su compañía me han enseñado que lo más importante en la vida es el amor de una familia. A la familia Flórez Lizcano, a Alba Rodríguez Lizcano quien estuvo apoyándome en todo momento y ser uno de los apoyo en mi carrera. A la familia Carvajal Villamizar, Gutiérrez por su apoyo incondicional en el transcurso de mi carrera. A mis mejores amigos Fabián Sánchez, Joana Rico, Alfredo Manrique, Alba, Paola Ortega, Hermanos Carvajal quienes siempre estuvieron a mi lado compartiendo mis alegrías y apoyándome en momentos difíciles. Momentos, durante el transcurso de mi carrera. Y para todas las personas que contribuyeron de una u otra manera para la realización de este proyecto y a todas aquellas personas que estuvieron a mi lado y que en este momento e dejado de nombrar. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos PROBLEMA OBJETO El sistema de adquisición de datos análogo meteorológico para aeropuertos FORMULACIÓN DEL PROBLEMA Producto de la fuerte combinación de vientos cruzados en las pistas de despegue y aterrizaje, la cual es consecuencia de ráfagas de viento que exceden la capacidad de vuelo de las aeronaves, esto se considera como una de las principales causas de accidentes de las aeronaves que a diario surcan los cielos de nuestro país así como del mundo. La capacitación y actualización de quien realiza procesos de operación y mantenimiento de los equipos relacionados en el control de datos meteorológicos esenciales en el desarrollo de las actividades aeronáuticas, son determinantes al momento de proporcionar seguridad y confianza a todos los usuarios del servicio. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos JUSTIFICACIÓN El diseño de ingeniería para la digitalización de un sistema de adquisición de datos meteorológico análogo que permite mantener un equilibrio en las acciones de operación, mantenimiento, administrativas, legales y financieras desarrolladas a diario en el Terminal aéreo; de igual manera un mejor manejo de las variables climáticas como son direccionamiento del viento, velocidad del viento y la Temperatura. El impacto que genera este proyecto es positivo en el sector aeronáutico ya que se le dará una nueva y mejorada utilización de los sistemas de adquisición de datos ya obsoletos, debido al gran avance tecnológico los nuevos sistemas de adquisición de datos son de forma inalámbrica son instalados a grandes distancias. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Realizar la metodología de diseño para implementar un sistema de adquisición de datos análogos meteorológicos para aeropuertos. Objetivos específicos 1. Realizar una base de datos concerniente a los componentes a manejar en la estación meteorológica. 2. Desarrollar una metodología para el desarrollo de sistema de adquisición de datos. 3. Desarrollar los estudios y análisis necesarios para una mejor y optima ubicación de los sensores climáticos. 4. Proponer un posible diseño de hardware que indique la posición de los componentes y su sistema electrónico realizada en software de simulación para la digitalización de la estación meteorológica. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos RESUMEN En este trabajo se expone la metodología para el desarrollo de diseño para el sistema de adquisición de datos Meteorológicos. Primeramente se hace un recuento de los elementos a utilizar. Con el objetivo de conocerlos estudiarlos enumerando las características más importantes Seguidamente se desarrolla el modelo del circuito con cada uno de los componentes que se desean utilizar en el sistema de adquisición de datos meteorológicos. Una vez desarrollado es metodología se analiza detalladamente el principio de funcionamiento del sistema de adquisición de datos Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos ABSTRACT In this work the methodology is exposed for the design development for the system of acquisition of Meteorological data. Firstly a recount of the elements is made to use. With the objective of knowing them to study them enumerating the most important characteristics Subsequently the pattern of the circuit is developed with each one of the components that you decean to use in the system of acquisition of meteorological data. Once developed it is methodology it is analyzed the principle of operation of the system of acquisition of data detailedly Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos INTRODUCCIÓN Los fenómenos relacionados con la atmósfera, el tiempo y el clima son factores ambientales que inciden de diversa manera en el desarrollo y resultado de las actividades humanas sobre un determinado territorio. Los ecosistemas y el sistema socioeconómico nacional se han adaptado a los patrones climáticos reinantes en el territorio y son afectados por los fenómenos meteorológicos propios de cada región. Eventualmente, tales patrones son alterados por eventos extremos de variabilidad climática (tipo El Niño - La Niña – Oscilación del Sur), los cuales inciden de manera importante en el funcionamiento de los ecosistemas y en los procesos socioeconómicos con impactos, generalmente negativos de magnitud considerable. Por otro lado, el cambio climático que se está presentando altera los patrones climatológicos a los cuales los sistemas (ecosistemas – socioeconómico) se han adaptado; esto incidirá en el desarrollo nacional en el siglo XXI. La inclemencia de los huracanes y las tormentas tropicales que se han suscitado con acuciada intensidad durante los últimos meses de la temporada lluviosa en paralelo con veranos más ardientes durante la época seca provocan un aumento en los efectos perjudiciales ocasionados por la Naturaleza y cuya reiteración y persistencia evidencian el hecho de que en vez de enfrentar un cambio climático, el aumento en las temperaturas a nivel mundial nos ha conducido a afrontar un genuino cambio meteorológico que amenaza con alterar la vida en el planeta en forma permanente. Tal problema global demanda su atención no desde la óptica nacional con la que se enfrenta un problema local, sino, desde la magnitud mundial de un desastre que nos iguala a todos por igual como nunca antes había hecho ningún fenómeno natural (erupciones, tormentas o cataclismos) o artificial (Guerras, hambrunas, etc.) por lo que Humanidad en su conjunto, a través de frentes internacionales o regionales, está llamada a generar acciones globales que ayuden al enfrentamiento de este reto humano La meteorología es la ciencia que estudia los fenómenos que determinan el estado de la atmósfera. Su utilidad es tan importante, que en el mundo entero, los Estados mantienen servicios Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos meteorológicos, a pesar de sus enormes gastos. En casi todas partes hay servicios especiales para la Aeronáutica. LA METEOROLÓGICA AERONÁUTICA Es una de las ramas en que se divide la Meteorología. La Meteorología suministra a la aviación tres tipos de informes: INFORMES CLIMATOLÓGICOS: Formados por los resultados estadísticos de observaciones meteorológicas regulares, efectuadas durante un largo periodo de tiempo, y sirven, para ante todo, el estudio de proyectos de aeropuertos y líneas aéreas. INFORMES CORRIENTES: Constituidos por la multitud de observaciones y medidas hechas por los servicios meteorológicos, que son de utilidad para la realización inmediata del vuelo, indicando al piloto como se encuentra la atmósfera en los aeropuertos de origen, destino, alternativos y alternativos en ruta, dándole información sobre nubes, estado general del tiempo, visibilidad, presión, temperatura, etc. LAS PREVISIONES: Es vital para el piloto conocer de antemano, lo más exactamente posible, como se encuentra la atmósfera en el trayecto que va a recorrer, y las condiciones meteorológicas que se encontrará durante el vuelo y en la toma final; cabe separar las previsiones de ruta y las previsiones de aeropuertos. Una vez en ruta, el piloto puede obtener información meteorológica escuchando en radiotelefonía (VHF o HF) los mensajes denominados VOLMET, que difunden observaciones y previsiones actualizadas cada media hora, sobre determinados aeropuertos. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos También se puede solicitar a un Centro de Información de Vuelo los datos que se precisen acerca de la región a su cargo. Por último, el Control del Aeropuerto de destino, proporciona al piloto la situación meteorológica reinante, a fin de que éste pueda conocer exactamente las circunstancias meteorológicas del aterrizaje. Capitulo 1: Diseño De Los Sensores Para El Sistema Adquisición De Datos Meteorológicos. 1.1 Metodología de Diseño: 1. Estudio Ambiental de la Región para escoger los sensores a manejar 2. Análisis de los Sensores a Utilizar. 3. Diseño del hardware para la adquisición de datos por parte de los sensores. 4. Diseño del software para visualización de datos obtenidos meteorológicos en tiempo real. 5. Ubicación estratégica de los sensores 6. Análisis de confiabilidad. 7. Análisis Económico y administrativo 8. Análisis de la influencia ambiental. 9. Análisis de legalidad del proyecto. 1.2 Concepción del Sistema. Con este proyecto se pretende mejorar el sistema de adquisición de datos Meteorológicos llevándolo a la cabecera de la pista a casi aproximadamente 1500 mt de la torre. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Por lo cual se determino que el sistema climático propuesto, dispusiera de las siguientes características: • Sensar las variables climáticas como temperatura, velocidad y dirección del viento. • Control general del sistema a través del microcontrolador PIC18F452. • Posibilidad de vincular el prototipo al PC mediante el puerto serial. • Visualización en tiempo real de las variables climáticas descritas. 1.3 Este Proyecto Costa De Tres Etapas Importantes Las Cuales Son: 1) Sensores para Medición Meteorológica: Esta etapa señala el diseño del conjunto de sensores climáticos y los principios físicos aplicados a cada uno de ellos para su funcionamiento adecuado. Cada uno de los sensores emplea un transductor característico que transforma la señal climática análoga presente en el ambiente, en otra con niveles cuantificables de voltaje, adecuados a los requerimientos de entrada del microcontrolador PIC18F452. 2) Hardware de adquisición, control y transmisión de datos climáticos: el hardware diseñado para tal aplicación incluye los circuitos eléctricos que posee cada sensor, un PIC18F452 para el control de los procesos de adquisición, control y transmisión de datos, a demás el circuito integrado MAX232 para la conexión con el modem de comunicación para que no hallan perdidas entre los sensores y el PC. 3) Software de visualización de los datos adquiridos por los sensores: Es la última etapa conforma por un software el cual se desarrolla en Visual Basic para la visualización en tiempo real de la variables climática. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 1.4 Criterio De Selección De Variables Climáticas. Par seleccionar las variables ambientales para realizar un diseño adquisición de datos meteorológicos para aeropuertos se deben de tener en cuenta algunas parámetros. Por ejemplo en este caso tendré en cuentas siguientes variables: • Temperatura • Dirección del viento • Velocidad del viento Los factores que se tiene en cuenta para las variables climáticas anteriormente mencionadas son las siguientes: o Las condiciones meteorológicas influyen en las principales actividades que realizamos, especialmente de aquellas que se desarrollan al aire libre, como la agricultura y el sector de los transportes. o Las condiciones ambientales de la región, es también otro de los factores que influyen a la hora la selección estos pueden ser: La altura sobre el nivel del mar, temperatura promedio. Lo mismo que el comportamiento de las estaciones (verano, invierno, primavera, otoño) que se presentan en dicha región. o Los sistemas meteorológicos estandarizados, para el análisis y pronóstico del clima incluyen dentro de su estudio una etapa básica de medición de variables atmosféricas. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos o Debido a que en el sector aeroportuario es de gran importancia la información de las variables climáticas al momento del aterrizaje y despegue ya que ello es de gran importancia. 1.5 Diagrama del Sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos. Fig. 1: Diagrama de Bloques del Sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos 1. Sensores Meteorológicos. 2. Microprocesador. 3. Max 232. 4. Cable de Par Trenzado. 5. Modem de Comunicación. 6. PC. 1.5.1 Sensores Meteorológicos Estos son los instrumentos utilizados para obtener las diferentes variables climitas como lo son la Temperatura, Direccionamiento del Viento y Velocidad del Viento, los cuales son: Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Para la observación de la temperatura se emplean muchos tipos diferentes de termómetros. En la mayor parte de los casos, un termómetro normal que abarque un rango habitual de temperaturas es más que suficiente. Es importante situarlo de modo que queden minimizados los efectos de los rayos solares durante el día y la pérdida de calor por radiación durante la noche, para obtener así valores representativos de la temperatura del aire en la zona a medir. El instrumento más utilizado para medir la dirección del viento es la veleta común, que indica de dónde procede el viento y está conectada a un dial o a una serie de conmutadores electrónicos que encienden pequeñas bombillas (focos) en la estación de observación para indicarlo. La velocidad del viento se mide por medio de un anemómetro, un instrumento que consiste en tres o cuatro semiesferas huecas montadas sobre un eje vertical. El anemómetro gira a mayor velocidad cuanto mayor sea la velocidad del viento, y se emplea algún tipo de dispositivo para contar el número de revoluciones y calcular así su velocidad. 1.5.2 Microprocesador Este es el que recibe los datos de los sensores y controla las rutinas de temperatura, velocidad y direccionamiento del viento. 1.5.3 MAX 232 Es muy útil en casos cuando se necesitan usar las líneas de Transmisión y Recepción de datos simultáneamente. 1.5.4 MODEM DE COMUNICACIÓN Este va hacer el elemento que nos permitirá llevar los sensores meteorológicos a una distancia bastante considerable a la cual deseamos llegar para la adquisición de datos en el lugar deseado. 1.5.5 PC Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Este es el lugar donde van a llegar los datos adquiridos, visualizándose a si mediante el programa Visual Basic. 1.6 SENSOR DE TEMPERATURA 1.6.1 Historia de la medición de temperatura La idea de medir la temperatura existe desde hace mucho tiempo. Uno de los primeros que quiso hacer una escala de temperatura fue Galen (ca. 170). Tenía una escala de 4 grados de calor y cuatro de frío. Los antiguos instrumentos de medida de temperatura eran llamados termoscopios. En 1610 Galileo introdujo vino en los termoscopios en vez de aire. En 1724 Gabriel Fahrenheit introdujo mercurio en los termoscopios. La razón por la que se usó el mercurio es porque la expansión térmica del mercurio es grande, mayoritariamente homogénea y no se pega al cristal. El mercurio también permanece en fase líquida durante un gran rango de temperatura. También es fácil de leer. 1.6.2 Escalas actuales de temperatura: Las escalas actuales de temperatura tienen dos puntos básicos: cuando el agua empieza a congelarse y cuando empieza a hervir. Entre estas dos temperaturas se establece una escala. Las dos escalas mas populares son las escalas Celsius (hecha por Anders Celsius) y la Fahrenheit (hecha por Gabriel Fahrenheit). La escala Fahrenheit se define de manera que el punto de congelación del agua es a 32 Fahrenheit y el de ebullición a 212 grados Fahrenheit. Esto significa que entre el punto de congelación y el de ebullición hay 180 divisiones. Fahrenheit introdujo su escala en 1724. Otra escala es la Celsius. En la escala Celsius el punto de congelación del agua se considera los 0 grados (centígrados) y el punto de ebullición los 100 grados (centígrados). Esta escala tiene 100 divisiones, y también es conocida como centi-escala. En 1948 los centígrados (escala centígrada) fueron sustituidos por los grados Celsius (oC). La escala Celsius se define por los dos puntos siguientes: Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 1. El punto triple del agua se define como 0,01oC. 2. Un grado Celsius equivale al cambio de temperatura de un grado en la escala de los gases ideales. En la escala Celsius el punto de ebullición del agua a una presión de 1 atmósfera es fijado a 99,975oC. Con la centi-escala eran 100. 1.6.3 Escala de temperatura en el SI: La temperatura está relacionada con la energía cinética de las moléculas. La energía cinética cambia cuando la temperatura cambia. La temperatura se define como el intercambio de calor entre dos objetos. La escala fundamental de temperatura es la de Kelvin. La escala de temperatura de Kelvin depende del punto de cero absoluto. Este es el punto en el que las moléculas no se mueven más, de forma que no ceden calor. Esto ocurre en todas las moléculas. El punto de cero absoluto es de 0 K, que son -273,15 oC. La escala es la misma que la Celsius. La temperatura del aire varía entre el día y la noche, entre una estación y otra, y también entre una ubicación geográfica y otra. Formalmente esta variable es una magnitud relacionada con la rapidez del movimiento de las partículas que constituyen la materia, es decir cuanta mayor agitación presenten éstas, mayor será la temperatura. El desarrollo del Bypass, se realiza con el fin de para acortar esencialmente espigas de alta frecuencia, a este proceso se le conoce como desacoplamiento de la fuente de alimentación. Lo mismo se hace para filtrar posibles variaciones en Vcc ocasionadas por las grandes variaciones en los niveles Icc cuando las salidas de cada CI cambian de estado. Se aconseja conectar un capacitor cerámico de radio-frecuencia de baja inductancia de 0.01µF ó 0.1µF entre Vcc y tierra. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos La configuración que posee el sensor es facilitada por la empresa National Semiconductor, en su línea de productos electrónicos para precisión de temperatura. Artículo LM35.pdf, noviembre del 2000. 1.7 Mediciones iniciales del sensor de temperatura Para optimizar el uso del sensor se practicaron mediciones aleatorias en intervalos de tiempo diferentes durante varios días. Se desarrollo entonces un termómetro digital con el LM35, el PIC18F452 y un software sencillo en Visual Basic para visualizar la información recogida (nivel de temperatura). Este modelo se uso como prueba, para luego combinarlo con los demás sensores en el sistema general de medición climática. Los cálculos de error hechos a la magnitud de temperatura, se realizan a partir de las siguientes relaciones: Ecu. ( 1 ) Donde: ∆E: Error absoluto Er: Error relativo M: Resultado de la medida m0: Valor real de la magnitud Esta medida puede variar de acuerdo al estado climático que se presenta donde se haga la medida, esto es si se encuentra en estaciones como verano o invierno, altura sobre el nivel del mar entre otros factores. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Teniendo en cuenta el valor de la temperatura promedio de la cuidad y el comportamiento del circuito integrado LM35 frente a esta, se realizaron las siguientes medidas que corresponden a valores de temperatura por unidades de voltaje, respectivamente, con el fin de calibrar el sensor: Condiciones iniciales Temperatura ambiente promedio: 19 °C Voltaje de salida LM35 Factor de conversión(LM35): 210mV 10mV/1°C Tabla 1.1: Condiciones Iniciales del Sensor de Temperatura Temperatura ambiente(°C) Voltaje de salida (mV) 5 55,26 10 110,52 19 210 20 221 25 276 50 552 90 995 Tabla 1.2: Relación de salida voltaje/ temperatura para la configuración del sensor Con los valores señalados en la tabla, se halla un factor de conversión que me relaciona la salida de voltaje del sensor, frente al valor cambiante de la temperatura del ambiente. Este factor es: Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Ecu 2 De donde: TPROM: Temperatura promedio VOUT : Voltaje de salida del sensor FC : Factor de conversión Este factor de conversión se emplea en el diseño del software para relacionar la salida del sensor, con la medida de la temperatura del ambiente. 1.8 SENSOR DE DIRECCIÓN DE VIENTO Dirección del viento: Se obtiene del promedio de la dirección del viento de los últimos 15 minutos, actualizándose esta información cada minuto. El rango es de 0 a 359 grados, siendo 0 el norte. Esto es un promedio de la dirección del viento verdadero. Principio Físico Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Fig. 1.2: Veleta Óptica de Direccionamiento de Viento Por lo general, la dirección del viento se define como la orientación del vector del viento en la horizontal. Para propósitos meteorológicos, la dirección del viento se define como la dirección desde la cual sopla el viento, y se mide en grados en la dirección de las agujas del reloj a partir del norte. La dirección horizontal del viento se puede determinar a partir de los componentes ortogonales de la velocidad del viento. Muchos transductores dividen la dirección del viento en 8 ó 16 sectores, en el circulo de vientos, sin embargo, para el estudio de la calidad del aire es mejor usar transductores que provean al menos una resolución de 10° (36 sectores) en la medición de la dirección del viento. 1.8.1 Anatomía del Sensor de Dirección del Viento El sensor SD.5 es un dispositivo para la medida de la dirección del viento basado en un codificador óptico angular absoluto, que genera una información digital en código Gray. Dependiendo de la resolución del codificador óptico, la información obtenida tendrá distintas precisiones: desde el SD5/8 con un aresolución de 1,41º hasta el SD5/4 con una resolución de 22,5º. La principal ventaja de este sistema estriba en que al utilizar un codificador óptico como elemento captador, el rozamiento producido durante al obtención de la medida es nulo, evitando desgastes mecánicos y proporcionando al sensor un periodo de vida muy elevado. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 1.9 SENSOR DE VELOCIDAD DE VIENTO Velocidad del viento máximo: Se obtiene de la velocidad del viento más alta con duración mínima de 5 segundos desde la última vez que se registró. A diferencia de la definición de velocidad del viento, este se registra cada vez que ocurre un viento máximo, y la anterior, se obtiene del promedio de la velocidad del viento de los últimos 15 minutos. Su unidad de medida es el nudo, que equivale a 1.852 km/hr. Fig. 1.3 Sensor de Velocidad del Viento La velocidad del viento en superficie deberá informarse en nudos, kilómetros o en metros por segundo y deberá representar para fines sinópticos el valor promedio determinado dentro de un intervalo de tiempo determinado. Se realiza la medida de la velocidad horizontal del viento. La ausencia de movimiento apreciable del aire se lo denomina “calma“. Debido al efecto de fricción la velocidad del viento puede variar en los primeros metros sobre el nivel del suelo. Por esta razón, Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos se ha definido una altura Standard para la exposición del instrumental sobre terreno abierto que es de 10 metros. El sensor de velocidad de viento SV.5 está constituido por tres cazoletas cónicas montadas en un eje vertical de acero inoxidable, el cual hacen girar bajo la fuerza del viento. El principio de medida está basado en un generador tacométrico óptica cuya señal es amplificada y conformada mediante un circuito electrónico que alimentado con una tensión continúa de entre 5 y 12 V proporcional al viento. El sensor incluye un conector polarizado de intemperie para facilitar su instalación y mantenimiento. El cuerpo de los sensores está realizado en inyección de aluminio y pintado al horno, lo cual los hace ideales para ambientes climáticos adversos. Existe la posibilidad de equiparlos con un elemento calefactor que permite su activación / desactivación automática mediante un termostato interno que garantiza su funcionamiento a bajas temperaturas. SEAC posee una serie especial con calefacción reforzada para soportar temperaturas extremas. 1.10 SISTEMAS DE COMUNICACIÓN 1.10.1 Comunicaciones Los avances han permitido un rápido desarrollo de las comunicaciones, ya sea en lugares físicos fijos como también móviles. La definición de las comunicaciones afecta al capacity planning de la empresa y viceversa. A nivel de comunicaciones es posible distinguir: Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 1.10.2 Alámbrica La comunicación se realiza entre dos dispositivos a través de un cable que puede ser: Coaxial: Consiste en un cable conductor interno (cilíndrico) separado de otro cable conductor externo por anillos aislantes o por un aislante macizo. Todo esto se recubre por otra capa aislante que es la funda del cable. Twin Axial: No tiene comunicación por la periferia, sino que sólo por el centro, por donde van dos cables conductores. Es distinto al coaxial por lo que son incompatibles, a no ser que se utilice algún conector o adaptador. Par trenzado: Es el medio guiado más barato y más usado. Consiste en un par de cables, embutidos para su aislamiento, para cada enlace de comunicación. Debido a que puede haber acoples entre pares, estos se trenza con pasos diferentes. La utilización del trenzado tiende a disminuir la interferencia electromagnética. Este tipo de medio es el más utilizado debido a su bajo costo (se utiliza mucho en telefonía), pero su inconveniente principal es su poca velocidad de transmisión y su corta distancia de alcance. Con estos cables, se pueden transmitir señales analógicas o digitales. Es un medio muy susceptible a ruido y a interferencias. Para evitar estos problemas se suele trenzar el cable con distintos pasos de torsión y se suele recubrir con una malla externa para evitar las interferencias externas. Fibra óptica: Un filamento de vidrio sumamente delgado diseñado para la transmisión de luz. Las fibras ópticas poseen capacidades de transmisión enormes, del orden de miles de millones de bits por segundo. Además, y a diferencia de los pulsos eléctricos, los impulsos Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos luminosos no son afectados por interferencias causadas por la radiación aleatoria del ambiente. 1.10.3 SELECCIÓN DEL PAR TRENZADO. 1.10.3.1 Estructura del cable par trenzado: Por lo general, la estructura de todos los cables par trenzado no difieren significativamente, aunque es cierto que cada fabricante introduce algunas tecnologías adicionales mientras los estándares de fabricación se lo permitan. El cable está compuesto, como se puede ver en el dibujo, por un conductor interno que es de alambre electrolítico recocido, de tipo circular, aislado por una capa de polietileno coloreado. Fig. 1.4 Cable de Par Trenzado. El cable par trenzado es de los más antiguos en el mercado y en algunos tipos de aplicaciones es el más común. Consiste en dos alambres de cobre o a veces de aluminio, aislados con un grosor de 1 mm aproximado. Los alambres se trenzan con el propósito de reducir la interferencia eléctrica de pares similares cercanos. Los pares trenzados se agrupan bajo una cubierta común de PVC (Poli cloruro de Vinilo) en cables multipares de pares trenzados (de 2, 4, 8, hasta 300 pares). Un ejemplo de par trenzado es el sistema de telefonía, ya que la mayoría de aparatos se conectan a la central telefónica por medio de un par trenzado. Actualmente, se han convertido en un estándar en el ámbito de las redes LAN como medio de transmisión en las redes de acceso a usuarios (típicamente Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos cables de 2 ó 4 pares trenzados). A pesar que las propiedades de transmisión de cables de par trenzado son inferiores, y en especial la sensibilidad ante perturbaciones extremas, a las del cable coaxial, su gran adopción se debe al costo, su flexibilidad y facilidad de instalación, así como las mejoras tecnológicas constantes introducidas en enlaces de mayor velocidad, longitud, etc. Fig. 1.5 Cable UTP Debajo del aislamiento coloreado existe otra capa de aislación también de polietileno, que contiene en su composición una sustancia antioxidante para evitar la corrosión del cable. El conducto sólo tiene un diámetro de aproximadamente medio milímetro, y más la aislación el diámetro puede superar el milímetro. Sin embargo es importante aclarar que habitualmente este tipo de cable no se maneja por unidades, sino por pares y grupos de pares, paquete conocido como cable multipar. Todos los cables del multipar están trenzados entre sí con el objeto de mejorar la resistencia de todo el grupo hacia diferentes tipos de interferencia electromagnética externa. Por esta razón surge la necesidad de poder definir colores para los mismos que permitan al final de cada grupo de cables conocer qué cable va con cual otro. Los colores del aislante están normalizados a fin de su manipulación por grandes cantidades. Para Redes Locales los colores estandarizados son: -- Naranja/Blanco - Naranja -- Verde/Blanco - Verde -- Blanco/Azul - Azul -- Blanco/Marrón - Marrón Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos En telefonía, es común encontrar dentro de las conexiones grandes cables telefónicos compuestos por cantidades de pares trenzados, aunque perfectamente identificables unos de otros a partir de la normalización de los mismos. Los cables una vez fabricados unitariamente y aislados, se trenzan de a pares de acuerdo al color de cada uno de ellos; aún así, estos se vuelven a unir a otros formando estructuras mayores: los pares se agrupan en subgrupos, los subgrupos de agrupan en grupos, los grupos se agrupan en superunidades, y las superunidades se agrupan en el denominado cable De esta forma se van uniendo los cables hasta llegar a capacidades de 2200 pares; un cable normalmente está compuesto por 22 superunidades; cada subunidad está compuesta por 12 pares aproximadamente; esta valor es el mismo para las unidades menores .Los cables telefónicos pueden ser armados de 6, 10, 18, 20, 30, 50, 80, 100, 150, 200, 300, 400, 600, 900, 1200, 1500, 1800 ó 2200 pares. 1.10.4 Tipos de Cable de par trenzado. Cable de par trenzado apantallado (STP): En este tipo de cable, cada par va recubierto por una malla conductora que actúa de apantalla frente a interferencias y ruido eléctrico. Su impedancia es de 150 Ohm. El nivel de protección del STP ante perturbaciones externas es mayor al ofrecido por UTP. Sin embargo es más costoso y requiere más instalación. La pantalla del STP, para que sea más eficaz, requiere una configuración de interconexión con tierra (dotada de continuidad hasta el terminal), con el STP se suele utilizar conectores RJ49. Es utilizado generalmente en las instalaciones de procesos de datos por su capacidad y sus buenas características contra las radiaciones electromagnéticas, pero el inconveniente es que es un cable robusto, caro y difícil de instalar. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Fig. 1.6 Cable de Par Trenzado STP Cable de par trenzado con pantalla global (FTP) En este tipo de cable como en el UTP, sus pares no están apantallados, pero sí dispone de una pantalla global para mejorar su nivel de protección ante interferencias externas. Su impedancia característica típica es de 120 OHMIOS y sus propiedades de transmisión son más parecidas a las del UTP. Además, puede utilizar los mismos conectores RJ45. Tiene un precio intermedio entre el UTP y STP. Cable par trenzado no apantallado (UTP): El cable par trenzado más simple y empleado, sin ningún tipo de pantalla adicional y con una impedancia característica de 100 Ohmios. El conector más frecuente con el UTP es el RJ45, aunque también puede usarse otro (RJ11, DB25, DB11, etc.), dependiendo del adaptador de red. Es sin duda el que hasta ahora ha sido mejor aceptado, por su costo accesibilidad y fácil instalación. Sus dos alambres de cobre torcidos aislados con plástico PVC han demostrado un buen desempeño en las aplicaciones de hoy. Sin embargo, a altas velocidades puede resultar vulnerable a las interferencias electromagnéticas del medio ambiente. El cable UTP es el más utilizado en telefonía por lo que realizaremos un estudio más a fondo de este tipo de cable. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Fig.1.7 Cable de Par Trenzado con Conector RJ45 1.10.4.1 Categorías del cable UTP: Cada categoría especifica unas características eléctricas para el cable: atenuación, capacidad de la línea e impedancia. Existen actualmente 8 categorías dentro del cable UTP: Categoría 1: Este tipo de cable esta especialmente diseñada para redes telefónicas, es el típico cable empleado para teléfonos por las compañías telefónicas. Alcanzan como máximo velocidades de hasta 4 Mbps. Categoría 2: De características idénticas al cable de categoría 1. Categoría 3: Es utilizado en redes de ordenadores de hasta 16 Mbps. De velocidad y con un ancho de banda de hasta 16 Mhz. Categoría 4: Esta definido para redes de ordenadores tipo anillo como Token Ring con un ancho de banda de hasta 20 Mhz y con una velocidad de 20 Mbps. Categoría 5: Es un estándar dentro de las comunicaciones en redes LAN. Es capaz de soportar comunicaciones de hasta 100 Mbps. con un ancho de banda de hasta 100 Mhz. Este tipo de cable es de 8 hilos, es decir cuatro pares trenzados. La atenuación del cable de esta categoría viene dado por: Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Velocidad de Transmisión de Datos Nivel de Atenuación 4 Mbps 10 Mbps 16 Mbps 100 Mbps 13 dB 20 dB 25 dB 67 dB Tabla 1.3 Referida a una Distancia Estándar de 100 metros Categoría 5e: Es una categoría 5 mejorada. Minimiza la atenuación y las interferencias. Esta categoría no tiene estandarizadas las normas aunque si esta diferenciada por los diferentes organismos. Categoría 6: No esta estandarizada aunque ya esta utilizándose. Se definirán sus características para un ancho de banda de 250 Mhz. Categoría 7: No esta definida y mucho menos estandarizada. Se definirá para un ancho de banda de 600 Mhz. El gran inconveniente de esta categoría es el tipo de conector seleccionado que es un RJ-45 de 1 pines. En esta tabla podemos ver para las diferentes categorías, teniendo en cuenta su ancho de banda, cual sería las distancia máxima recomendada sin sufrir atenuaciones que hagan variar la señal: Ancho de Banda En categoría 3 En categoría 4 En categoría 5 100 kHz 2 Km 3 Km 3 Km 1 MHz 500 m 600 m 700 m 20 MHz 100 m 150 m 160 m 100 MHZ No existe No existe 100 m Tabla 1.4 Diferentes Categorías Según su Ancho de Banda Para este proyecto es viable utilizar cable de par trenzado categoría 5e por sus especificaciones. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 1.11 MODEM DE COMUNICACIÓN ALAMBRICO E INALÁMBRICO En la actualidad contamos con una diversidad muy grande se MODEM de comunicación tanto alambrico como inalámbricos por esta razón trataremos de observar las características de uno de los MODEM que tienen o son de fácil uso, no requieren de licencias y son de bajo costo. 1.11.1 Los centro de soluciones para la información y comunicación Fig. 1.8 Algunos Modem de Comunicación Data-Linc fabrica la más amplia línea de módems industriales a nivel mundial ya configurados en sus instalaciones. Incluyendo el radio módem modelo SRM6000 de alto funcionamiento con frequency hopping y spread spectrum, que no requiere licencia en donde funciona, y el módem Ethernet inalámbrico, también sin requerimiento de licencia en su sitio de operación. Así como también el dial-up con línea de contrato. El módem de fibra óptica y una vasta variedad de FSK módems alámbricos para la transmisión de Información, sobre cualquier tipo de alambre ya sea trenzado o no trenzado, cubierto o descubierto. Data-Linc puede ser como la "única fuente" para la completa línea de alta calidad de módems para uso industrial o no industrial, así como también partes para la información y comunicación como por ejemplo: (Partes para la transmisión simultánea de múltiples señales o mensajes sobre el mismo canal o circuito [Multiplexers.] Interruptores de información [Data Switches] etc.) Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Dentro de su gran gama Data-Linc nos ofrece: Spread Sprectrum Radio Módems (no requiere licencia). Ethernet Radio Módem (no requiere licencia). Módem de Fibra Óptica. Módem Industrial / Línea de contrato / Módem de teléfono celular. Módem de línea digital de contrato. Módem de cable dedicado/ de par repuesto. Módem que funcionan sobre líneas de corriente eléctrica de información súper impuesta sobre electricidad de CC/ CA. El sistema Private Branch Exchange o sistema privado de teléfono con Información sobre voz pueden ser conectados en los mismos cables del PBX sin ningún problema de interferencia cuando es usado simultáneamente. 32 canales, Clima extremó, Información discreta/ Análoga. Multiplexers (funcionando a temperaturas extremas de -40°C a + 85°C). Interruptores de Información y programa (para facilitar el acceso a sistemas integrados de Información y comunicación, cuando es usado con las herramientas y módems de Data-Linc). Para un vasto número de aplicaciones las herramientas de Data-Linc proveen especificaciones superiores con muchas características y beneficios únicos. Un sumario de las muchas ventajas incluye: 1. Instalación Transparente: Todos los módems, multiplexers, interruptores de Información, cables, los entregan configurados. No hay necesidad de programación, ajustes, o que requieran adaptadores. 2. Data-Linc módems se fabrican en diferentes versiones para dar un mejor servicio a nuestros clientes. Por ejemplo: La versión de montadura especial para el PLC procesador de Allan Bradley de la series SLC 500. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 3. Casí todos los módems, partes, y sistemas soportan máximas temperaturas de - 40°C a +75/85°C. 4. Resistentes contra el ruido, elevaciones, interferencia electromagnética, para mayor aseguransa contra Información inválida o incorrecta, debido a esta clase de problemas en el medio ambiente. 5. La eliminación de descargas eléctricas, debido a causas naturales, campos magnéticos, maquinaria. Así de ese modo se provee una más exacta Información análoga. 6. La habilidad de transmitir Información a través de contactos resbaladizos, conexiones movedizas, y otra clase de contactos. 7. Comunicación de módem a módem (point to point) o múltiples módems (multidrop) y transmisión de múltiples mensajes sobre un mismo canal o circuito (multiplexing) con PLCs/RTUs/PCs/ etc. 8. Capacidad de alcance inalámbrico a más de 100 millas (hasta 20 millas on cualquier tipo de dos cables conductores) Dial-up o línea de contrato distancia inlimitada. Los MODEM de Data-Linc: Utilizan la más avanzada Frequency Hopping y la mejor tecnología de spread spectrum para la transmisión de Información inalámbrica (sin necesidad de licencia) así como también las técnicas especializadas para la Información y comunicación sobre cualquier tipo de dos alambres para proveer un excepcional nivel de Información integra y fiable, mientras al mismo tiempo alcanza un superior funcionamiento y una simple y sencilla instalación o configuración. 1.12 INTERFASE RS−232C Correctamente denominado, es la interfaz entre el DTE y el DCE, que utiliza intercambio de datos binarios en serie según la recomendación V.24 del CCITT, e idénticas características al V.28. Debido a la proliferación de equipos de distintos fabricantes, ha causado que estos hayan tenido que ponerse Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos de acuerdo en las normativas de conexión de sus equipos (recuerden el tema de compatibilidad). Se resolvió el problema con esta asociación de estándares EIA con el estándar RS−232, que es el adoptado con mas frecuencia para transmisiones serie. Las normas que definan las características eléctricas como las funciones de la conexión estándar de conectores de 25 pines son: 1.12.1 Como parámetros principales vemos que: Las señales deben ser binarias y sin balancear. La Tensión no debe superar los 25 voltios en circuito abierto (sin carga). · La tensión de utilización del equipo puede ser positiva (0 Lógico o negativa (1 Lógico) y su valor está entre los 5 y los 15 voltios. En el caso de cortocircuito, la intensidad no debe superar los 0,5 amperios (en electrónica ya es bastante alta, suficiente para causar varios desperfectos). La resistencia de carga debe ser superior a 3 kohimos. Y no sobrepasar los 7 kohmios. La capacidad de carga debe ser inferior a 2.500 picofardios (pF). 1.13 UBICACIÓN DE LOS INSTRUMENTOS. Según las normas que la Organización Meteorológica Mundial ha establecido se de deben ubicar de siguiente manera: Para obtener datos climáticos representativos estos se deben colocar lejos de obstrucciones que puedan influir en las mediciones. La altura estándar de exposición de los instrumentos de viento en un terreno abierto es 10 m sobre el suelo. El terreno abierto se define como un área donde la distancia entre el instrumento y cualquier obstáculo (árboles, edificios, etc.) es al menos 10 veces la altura de la obstrucción. Un sistema de medición del clima normalmente dispone de varios de estos instrumentos (sensores climáticos), incluso todos si es muy completa. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Para que los datos sean rigurosos, en el recinto de una estación meteorológica o sistema de medición debe disponer de una garita o jaula de madera blanca situada a 1.5 m del suelo, dentro de la cual se ubican los termómetros. Además al disponer de una torre meteorológica de 10m de altura, sobre ésta se sitúan aparatos de medida como termómetros, anemómetros y veletas, a esta altura y a 10 cm. perpendicular a la torre. Como los sensores se instalaran en los aeropuertos, situándolos en las cabeceras de las pistas a aproximadamente a 1500mt de la torre de control, como en estos lugares son despejados no existe casi inconvenientes con los obstáculos. 1.14SOFTWARE DE VISUALIZACIÓN DE LAS VARIABLES CLIMÁTICAS: Para desarrollar la interfas de visualización de los datos que son adquiridos se desarrolla en el lenguaje de programación Visual Basic ya que la universidad cuenta con la licencia de este programa y de facil huso. Diseñada para el control del sistema de adquisición de datos meteorológicos; se podrá visualizar en tiempo real las variables climáticas como lo son: Temperatura. Velocidad del Viento Dirección de viento. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Fig.1.9 Ventana de Visualización de los Datos Meteorológicos. Este sistema de visualización se puede desarrollar con el programa el software Visual Basic. 1.14.1 Conexión con el ordenador (PC) La conexión con el PC, se logra comunicando el microcontrolador PIC18F452 por los puertos RC6 y RC7 con CI MAX-232, como se ve en la Fig.: Fig. 1.10 Diagrama en bloques de conexión PIC18F452 - PC El MAX232 es un driver/receiver dual, que incluye un generador capacitivo de +10V y -10V con solo 5V de suministro. Cada receiver convierte las entradas EIA-232 en niveles de 5V TTL/CMOS. Cada driver convierte los niveles de entrada TTL/CMOS en niveles EIA-232. Es muy útil en casos cuando se necesitan usar las líneas de Transmisión y Recepción de datos simultáneamente. El valor de los condensadores no es muy alto, la hoja de características recomienda usar condensadores de 10µ faradios. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos La comunicación que se efectúa en esta etapa es de tipo HALL-DUPLEX, es decir bidireccional no simultánea, donde el microcontrolador y el PC transmiten y reciben datos respectivamente. El puerto USART del PIC18F452; dado por los pines RC6/TX/CK y RC7/RX/DT, conectados al MAX232, se muestra en el circuito de comunicaciones PIC18F452- PC de la Fig. 1.10 Capitulo 2: Realización del Diseño 2.1 CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DEL SENSOR DE TEMPERATURA El sensor de temperatura se construye con el circuito integrado LM35, su configuración es muy sencilla y además económica. El LM35 configurado como sensor térmico proporciona a la salida 10mV por grado centígrado (°C). Impedancia baja Calibración directa en grados Celsius (ó Centígrados) Factor de escala Lineal: 10 mV / °C Rango de operación –55 a 150°C Precisión de 0.9°C Apropiado para las aplicaciones remotas Bajo costo debido a la configuración externa empleada Tensión de funcionamiento de 4 a 30 voltios (dc) Consumo de potencia, menos de 60 uA Autocalefacción Baja, 0.08°C en ambiente normal Variación lineal de 1/4°C típicamente Rendimiento de impedancia de salida Bajo, 0.1omh para 1 mA de carga. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Fig. 2.1: Configuración eléctrica sensor de temperatura 2.2. DIRECCIONAMIENTO DEL VIENTO 2.2.1 Características Técnicas Sd.5/8 Fig. 2.2: Características Físicas de la Veleta de Direccionamiento de Viento Sistema de medida: Codificador óptico Código Gray. Rango de medida: 1º - 360º Sensibilidad: 0,1m/seg Factor de amortiguamiento: 0,6 con veleta de 500 Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Resolución: 1,41º Tipo de transductor: LED Fototransistor. Nivel de salida: Proporcional a la tensión de alimentación Alimentación del sensor: 5-10 V C. C. Alimentación Calefacción: 24 V C. C. ó C. A. Activación Calefacción: +4ºC Temperatura de trabajo: -30ºC a +70ºC Conector: Circular polarizado de 13 contactos Material: Aluminio inyectado con tratamiento final de pintura anticorrosiva al horno. Peso aproximado (veleta incluida): 500 g. Dimensiones mecánicas: o Longitud veleta: 580 / 325 mm. o Diámetro Cuerpo central sensor: 55 mm. o Altura sensor (veleta incluida): 235 mm. La veleta móvil unida al eje, jira con las ráfagas de viento que la golpean y se ubica de frente a estas, indicando de donde vienen tales corrientes. Cuando la veleta se mueve, simultáneamente también lo hace una lámina en la parte inferior del eje, que es paralela a la flecha de la veleta y perpendicular al eje, Dos discos paralelos se unen al eje móvil y entre estos va ubicado la lámina cubre rayo. La función de los discos es cubrir un rango de medida de 360°, referenciado así diversos puntos cardinales (Norte, Sur, Este, Oeste, e intermedios) como medida de la dirección de viento. De acuerdo a los estándares establecidos para medir la dirección del viento, se dividió en 16 fracciones la circunferencia de los discos, con un barrido de 22° por fracción. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Fig. 2.3: Estructura del sensor de Direccionamiento de Viento. Para una ganancia A = 10 y R1 = 1K tenemos: Con los valores obtenidos de las resistencias y usando un CI LM324 como amplificador se garantiza una ganancia de 10 aproximadamente. 2.3 SENSOR DE VELOCIDAD DE VIENTO 2.3.1 Características Técnicas Fig. 2.4: Estructura Interna del Sensor De Velocidad De Viento Sistema de medida: Generador tacométrico de pulsos. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Rango de medida: 0 a 65 m/s Sensibilidad: 0,2 m/s Resolución: 0,05 m/seg Tipo de transductor: LED / Fototransistor Alimentación Sensor: 5 a 12 V C. C. Alimentación calefacción: 24 V C. C. ó C. A. Activación calefacción: +4º C. Temperatura de Operación: -30º C ... +70º C Conector: Circular polarizado con 5 polos de aluminio AlSi con tratamiento químico y pintura Epoxi con secado al horno. Material: Aluminio inyectado, con tratamiento final de pintura anticorrosiva al horno (cuerpo). Poliéster y fibra de virio (cazoletas). Dimensiones mecánicas: o Peso aproximado: 300 g. o Dimensiones mecánicas: o Diámetro de cazoletas: 120 mm. o Diámetro de cuerpo central: 55 mm. o Altura total del sensor cazoletas incluidas: 230 mm. 2.4 CABLE DE PAR TRENZADO En esta metodología es viable utilizar cable de par trenzado apantallado (STP) ya que cada par va recubierto por una malla conductora que actúa de apantalla frente a interferencias y ruido eléctrico. Su impedancia es de 150 Ohm. El nivel de protección del STP ante perturbaciones externas es mayor al ofrecido por UTP. Sin embargo es más costoso y requiere más instalación. La pantalla del STP, para que sea más eficaz, requiere una configuración de interconexión con tierra (dotada de continuidad hasta el terminal), con el STP se suele utilizar conectores RJ49. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Es utilizado generalmente en las instalaciones de procesos de datos por su capacidad y sus buenas características contra las radiaciones electromagnéticas, pero el inconveniente es que es un cable robusto, caro y difícil de instalar. 2.4.1 Modem De Comunicación Alambrico E Inalámbrico En la actualidad contamos con una diversidad muy grande se MODEM de comunicación tanto alambrico como inalámbricos por esta razón trataremos de observar las características de uno de los MODEM que tienen o son de fácil uso, no requieren de licencias y son de bajo costo. Para es te proyecto también se debe tener en cuenta que los modem tengan puertos RJ45, USB, RJ49, SERIAL. Esto con el objetivo de una mejor y fácil conexión del circuito con el modem. Estas son una de las de los modem data linc. Spread Sprectrum Radio Módems (no requiere licencia). Ethernet Radio Modem (no requiere licencia). Módem de Fibra Óptica. Módem Industrial / Línea de contrato / Módem de teléfono celular. Módem de línea digital de contrato. Módem de cable dedicado/ de par repuesto. Módem que funcionan sobre líneas de corriente eléctrica de información súper impuesta sobre electricidad de CC/ CA. 32 canales, Clima extremó, Información discreta/ Análoga. Multiplexers (funcionando a temperaturas extremas de -40°C a + 85°C). Interruptores de Información y programa (para facilitar el acceso a sistemas integrados de Información y comunicación, cuando es usado con las herramientas y módems de Data-Linc). 2.5 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Para alimentar el circuito del sistema electrónico se empleo una fuente de alimentación que entrega 5V y 400mA, proporcionando una corriente suficiente para el buen funcionamiento del circuito, ya que este tiene un consumo máximo de 60mA y 5V. Dando como potencia máxima del circuito. P=V*I (Ec. 8) P = 5V * 60mA P = 300mW Donde: P: es la potencia (watts). I: es la corriente máxima (amperios). V: es el voltaje (voltio). Fig. 2.5: Fuente de alimentación 2.5.1 Generalidades del circuito de alimentación: Transformador: Este se alimenta con 110V/AC, 60Hz, proporcionados por la red eléctrica domiciliaria y genera a su salida 9V / AC con una corriente de 300 mA. Puente rectificador: La referencia comercial del puente rectificador es DC-W04M. Las características técnicas de este son 200V a 3 A. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos LM7805: El integrado LM7805 es un regulador de voltaje fijo de 5V el necesario para los dispositivos de nuestro sistema y que tiene una corriente de salida hasta de 1.5 A si se tiene suficiente corriente de entrada. Condensadores: Los condensadores electrolíticos de 2000 y 1000uF se encargan del filtrado de armónicos al voltaje DC de entrada, y de ruido introducido por fuentes de ruido a la red eléctrica. Fusible: Usado para protección contra sobre cargas de corriente superiores a 5 Amp. La protección contra corto circuitos es interna del circuito integrado, el mismo posee un corte por sobre temperatura al ponerse en corto la salida la temperatura del integrado sube rápidamente y la protección salta desconectando la salida hasta que no cese el corto circuito. MATERIAL ESPECIFICACIONES Transformador (T1) 110V/5V-0.5A Condensador electrolítico (C1,C2) 1000uF-16V Condensador electrolítico (C3) 10uF-16V Condensador electrolítico (C4) 0.1uF-16V Regulador de voltaje (LM7805) Tabla 2.1: Materiales de la fuente. Edgar Yesid Mendoza Rozo. 5V-1.5A Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 2.6 CRITERIO DE SELECCIÓN DEL MICROCONTROLADOR PIC18F452: Fig. 2.6:PIC18F452 Este es un microcontrolador de tecnología CMOS de 8 bits y 40 pines. Teniendo en cuenta las siguientes características se escogió este microcontrolador: Operación de voltaje amplio (2.5V– 6.0V) Altas velocidades de reloj. Reprogramable Cuenta con solo 35 instrucciones para su programación El lenguaje ensamblador, de programación nos es familiar, para mayor facilidad lo podemos trabaja con macros Interfase disponible SCI (Interfase Comunicación Serial), o Modulo USART: ( Transmisión Recepción síncrono Asíncrono Universal ) Relativamente económico. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos 2.6.2 Las especificaciones requeridas para en el microcontrolador PIC16F452 son: Característica Especificaciones Voltaje de operación: 5V Frecuencia de Cristal: 20 Mhz Ciclo de máquina por instrucción: 1 / frecuencia Tabla 2.2: Especificaciones usadas para el microcontrolador PIC16F452 2.7 CIRCUITO GENERAL. El circuito general lo componen en todas las etapas explicadas, y en general sus componente son fáciles de adquirí en el mercado local para su implementación. El circuito general para el sistema automatizado de medición y registro de variables climáticas será: Fig.. Circuito general para el sistema de medición climático. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos ANÁLISIS DE CONFIABILIDAD El análisis de confiabilidad realizado con los valores establecidos por las tablas internacionales TPPF (Tiempo Promedio Para Fallar) del estándar FARADIP. La relación usada para hallar la confiabilidad RX de un elemento dentro de un sistema determinado x, es de tipo exponencial y esta dada por: De donde: λ: Frecuencia de falla, establecido en las tablas TPPF T: Tiempo para análisis Ahora, para hallar la confiabilidad total del sistema se multiplican todas las confiabilidades parciales obtenidas, es decir: Un aspecto importante en el análisis de confiabilidad, es determinar la función directa que posee cada uno de los dispositivos o componentes, eléctricos o electrónicos en el sistema. Para esto existen dos tipos de funciones conocidas como linear o lógico, según el dispositivo y su característica dentro del sistema. La función lineal indica que el sistema depende directamente del funcionamiento normal del dispositivo, es decir, si este falla el sistema falla. La función lógica de un dispositivo indica el estado en niveles lógicos del mismo y la relación que tiene con otros módulos. La conexión de los dispositivos en los subsistemas es una configuración serie y por tanto si alguno de estos falla las etapas siguientes también lo hacen. Para iniciar el análisis es fundamental tener en cuenta el diagrama en bloques tanto del sistema general de medición climático, como el de cada subsistema presente. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Fig. Diagrama en bloques del sistema de adquisición de datos meteorologicos. Los valores de establecidos para la frecuencia de falla λ por el estándar FARADIP, para los componentes y dispositivos empleados en el diseño de medición climático son: Tipo FPMH de λ PC Lineal 30 λ1 = 0,2628 Microcontrolador PIC18F452 Lineal 5 λ2 = 0,0438 MAX232 Lineal 10 λ3 = 0,0876 LM35 Lineal 10 λ5 = 0,0876 Puente rectificador Lineal 0,3 λ8 = 0,002628 Transformador 110V.AC/9V.DC Lineal 0,03 λ9 = 0,0002628 Cristal de 20MHz Lineal 0,08 λ10 = 0,0007008 Diodo LED Lineal 0,005 λ11 = 0,0000438 Fotorresistencia Lineal 15 Condensadores electrolíticos Lineal 0,002 Dispositivos y componentes FPA λ λ12 = 0,1314 λ12 = 0,00001752 Tabla Valores estandarizados de fallas para dispositivos y componentes industriales De la anterior tabla: FPMH: FPA: Fallas por millón de horas Fallas por año Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos o Fuente de alimentación DC Fig.57. Diagrama en bloques de la fuente de alimentación del sistema de medición climático El análisis para esta etapa será: Donde: RTR: RREC: RC1: RC2: R7805: RFA: %RFA: λFA: Confiabilidad del transformador Confiabilidad del rectificador Confiabilidad del filtro 1 Confiabilidad del filtro 2 Confiabilidad del CI LM7805 Confiabilidad total para la fuente de alimentación Porcentaje de confiabilidad para la fuente de alimentación Tiempo de posible fallo de la fuente de alimentación Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos o Configuración eléctrica para el microcontrolador PIC18F452 Fig. Diagrama en bloques para la configuración eléctrica del PIC18F452 El estudio para el análisis de confiabilidad de esta etapa será: De donde: RC1: Confiabilidad para el condensador C1=22 pf RC2: Confiabilidad para el condensador C2=22 pf RXTAL: Confiabilidad para el cristal de 4MHz RPIC: Confiabilidad para el microcontrolador PIC16F877 %RPIC: Porcentaje de confiabilidad para el microcontrolador • Sensor de temperatura Fig. Diagrama en bloques para el sensor de temperatura La confiabilidad para el sensor de temperatura será: Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos En donde: RST: %RST: λST: Confiabilidad del sensor de temperatura Porcentaje de confiabilidad del sensor de temperatura Tiempo de posible fallo del sensor de temperatura Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos • Sensor de dirección del viento Fig. Diagrama en bloques para el sensor de dirección del viento La confiabilidad hallada para el sensor de dirección del viento esta dada por: En donde: RDV: %RDV: λDV: o Confiabilidad del sensor de dirección del viento Porcentaje de confiabilidad para el sensor de dirección del viento Tiempo de posible fallo para el sensor de dirección del viento Sensor de velocidad del viento Fig. Diagrama en bloques para el sensor de dirección del viento La confiabilidad hallada para este sensor es: Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos En donde: RVV: %RVV: λVV: Confiabilidad del sensor de velocidad del viento Porcentaje de confiabilidad para el sensor de velocidad del viento Tiempo de posible fallo para el sensor de velocidad del viento De acuerdo a los cálculos hechos para la confiabilidad de cada sensor, concluimos: Sensor Porcentaje de confiabilidad (%) Eficiencia (años) Fuente de alimentación 99,49 4,6 Sensor de temperatura 61,11 4,11 Sensor de dirección del viento 58,74 4,07 Sensor de velocidad del viento 58,74 4,07 Tabla Análisis de confiabilidad para el sistema de medición climático. El análisis anterior indica entonces, que los canales de confiabilidad en el sistema de medición y registro de variables climáticas, más propensos a fallar son los correspondientes al sensor de dirección y velocidad del viento. Se garantiza que el sistema climático funcione adecuadamente durante cuatro años aproximadamente, y requiera de un mantenimiento preventivo a los tres años y medio de su funcionamiento. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Estado Del Arte Los sistemas de adquisición de datos han avanzado de forma impresionante y en la actualidad contamos con sistemas meteorológicos satelitales dándonos una confiabilidad mucho más grande, por esta razones se ha propuesto realizar un diseño para mejorar el estado de los sensores y ubicarlos en los lugares que realmente se necesitan por ejemplo en la cabecera de las pistas en los aeropuertos. El estudio de la meteorología Los estudiosos de la antigua Grecia mostraban gran interés por la atmósfera. Ya en el año 400 a.C. Aristóteles escribió un tratado llamado Meteorológica, donde abordaba el “estudio de las cosas que han sido elevadas”; un tercio del tratado está dedicado a los fenómenos atmosféricos y el término meteorología deriva de su título. A lo largo de la historia, gran parte de los progresos realizados en el descubrimiento de leyes físicas y químicas se vio estimulado por la curiosidad que despertaban los fenómenos atmosféricos. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Análisis De La Influencia Ambiental El sistema de adquisición de datos meteorológicos se debe desarrollar al aire libre, por esta razón tiene impactos en el medio ambiental que hay que cuidar y tener en cuenta, como la ubicación del sistema en un terreno baldío, a 10 metros sobre el suelo y con la protección adecuada. En esa línea se encuentra las normativas de gestión ambiental impuestas por el ministerio de medio ambiente de Colombia, representado por el IDEAM donde establecen que al instalar sistemas de medición y monitoreo climático se debe tener en cuenta parámetros de protección para las personas y usuarios que manipulen e intervengan con estos equipos. Como los sensores son ópticos no realizan tanto ruido, evitando así la contaminación sonora y brindando un bienestar a La comunidad en general. El sistema como tal, con todo y sus componentes eléctricos y electrónicos no provoca ningún tipo de emisión y no tiene ninguna influencia negativa sobre la sociedad y la naturaleza. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Análisis Económico Y Administrativo En el desarrollo de esta metodología se trata de utilizar componentes de bajo costo. A continuación se enunciaran los componentes y sus costos para tener una clara idea del presupuesto necesario para este diseño. CANTIDAD COMPONENTE VALOR 1 LM45 1 PIC16F452 25.000 1 MAX 232 4.000 6 CONDENSADORES 4.000 2 PULSADORES 2.000 20 RESISTENCIAS 2.000 1 CRISTAL 20Hz 10.000 1 TRASFORMADOR 10.000 1 CONECTOR RS 232 3.000 IMPREVISTOS 5.000 80.000 MPLAB IDE GRATUITO VISUAL BASE GRATUITO 140.000 TOTAL Tabla de Componentes a Usar Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos Análisis De Legalidad Del Proyecto Para el desarrollo de este proyecto se utilizo fuentes de información como Internet y libros. En cuanto a la legalidad del interne y los libros, se utilizaron las salas virtuales de la universidad donde se adquirió información de páginas gratuitas. La información tomada de los libros se adquirió de la biblioteca y de libros originales de propiedad de los profesores de la universidad. En cuanto a la utilización del Software Visual Basic 6.0 la Universidad de Pamplona dispone de una licencia, la cual puede ser adquirida en el sitio Web de la empresa Microsoft. El software MPLAB es de libre distribución y la empresa Microchip lo distribuye de forma gratuita. Por lo tanto este proyecto cumple con los derechos de autor y sin violar la ley. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos CONCLUSIONES Se realizo el estudio de los sensores para tener un conocimiento más exacto de su funcionamiento. Se desarrollo el diseño de un sistemas se adquisición de datos utilizando sensores que en muchas empresas se han dejado a un lado. Se logro diseñar un prototipo que posee características necesarias en los aeropuertos. Los elementos que se describen en este diseño son de fácil adquisición con costos muy bajos. Se analizaron los diferentes tipos de cable de par tensado con el fin de escoger el más óptimo para este diseño. Para la selección de las variables a medir por el sistema climático es necesario tener en cuenta un criterio meteorológico y de dispersión atmosférica de la región donde se desarrolla el proyecto. El objeto final de la información climática es múltiple y siempre útil. Puede ser un modo de aumentar la seguridad vial ya que permitiría comprobar la climatología completa de las rutas por las que se va a viajar. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos RECOMENDACIONES El desarrollo de este sistema de adquisición de datos meteorológicos se han desarrollado a cabalidad las metas trazadas. Para implementar este proyecto se deben de tener en cuenta muchas mas variables. Gracias a los grandes avances tecnológicos se pueden instalar estos sensores en diferentes campos obteniendo los datos por medio de la Internet. Edgar Yesid Mendoza Rozo. Metodología de Diseño para Implementar un sistema de Adquisición de Datos Meteorológicos para Aeropuertos BIBLIOGRAFÍA RONAL MARQUEZ MARIN, Diseño De Un Sistema Automatizado De Medición Y Registro De Variables Climáticas Para Una Estación Meteorológica; 2004. GONZALES PEREZ, Alfonso. Programación de Bases de Datos Con Visual Basic. AlfaOmega Grupo Editor S.A. México D.F 1997. HILL, Frederick, Peterson Gerald. Sistemas digitales Organización y diseño de Hardware. Editorial Limusa, Grupo Noriega Editores S.A. México D.F Tercera Edición 1993. ASHELSKY, Louis. Fundamentos de Tecnología Digital. Editorial Limusa Grupo Noriega Editores S.A. México D.F 1993. 1. www.vppx134.vp.ehu.es/met/html/diccio/anemome.htm 2. www.euskalmet.com 3. www.seac.es/Hardware/equipos/004.asp 4. www.serviciouniversal.secom.gov.ar/normativa_2000_d764.htm 5. www.inm.es 6. www.meteored.com/ram 7. www.meteosort.com 8. www.esa.int/export/esaED/ 9. www.geocities.com/silvia_larocca/ 10. www.eumetsat.de/ 11. club.telepolis.com/fgilgon/meteorec.html 12. www.ipcc.ch/ 13. www.wmo.ch/ 14. www.monografias.com/trabajos5/chips 15. www.datasheetcatalog.com 16. www.honeywell.com Edgar Yesid Mendoza Rozo.
