MOMENTOS DE Universidad de la AMAZONIA Momentos de Ciencia 9:(1), 2012 CIENCIA Estación de Monitoreo de Actividad Pluviométrica José A. Marín-Peña*ª, Fabio Buritica-Bermeo*, Luis Gabriel Marin** *Docentes Licenciatura en Matemáticas y Física, Universidad de la Amazonia **Docente Ingeniería de Sistemas, Universidad de la Amazonia. Recibido 25 de Noviembre de 2011; aceptado 02 de Marzo de 2012 Resumen Este documento es el resultado de la implementación de una estación de monitoreo de la actividad pluviométrica, medida en tiempo real, en la ciudad de Florencia (Caquetá). La estación incluye un sensor de pluviometría y un sistema de adquisición de datos usando instrumentación virtual, a través de la tarjeta DAQ NI-6221 de National Instruments como hardware y el software de programación gráfica LabVIEW 7.1. La estación cuenta con un sistema fotovoltaico, que suministra la potencia eléctrica requerida en su funcionamiento, con una autonomía de dos (2) días. La estación fue puesta en operación en Noviembre de 2006 a diciembre de 2010, en los predios de la Universidad de la Amazonia. Como resultados se tiene la captura de información cada dos minutos de las variables censadas, durante las 24 horas del día, los 365 días del año; Los datos de cada día son almacenados en un archivo *.xls, nombrado con la fecha del día del registro y pueden ser vistos y analizados a través de una hoja electrónica. Palabras Claves: Pluviometría, Instrumentación Virtual, Sistema Fotovoltaico. Abstract This paper is result of the implementation of a monitor station of rainfall activity, measure on real time, in the Florencia city (Caquetá). The station include a sensor of rainfall and data system acquisition that used virtual instrument, a through of card DAQ NI-6221 of National Instrument as hardware and the software of graphical programming LabVIEW 7.1. The station has a photovoltaic system, which supplied the electric power necessary in performance, with two days of autonomy. The station start operation on November of 2006 to December of 2010, in the Universidad de la Amazonia. Which results is have the information capture every two minutes of census variables, in 24 hours od day, the 365 days of year; The date de every day are stored in file *.xls, named with the date of registration day. Key Word: Rainfall, Virtual instruments, Photovoltaic System and can be viewed and analyzed through a spreadsheet. Introducción más reciente que se tiene para este último cuerpo hídrico, es el 10 de junio de 2005, cuando se presentó una precipitación de 97 mm en dos horas.” (Marín y Pelaez, 2008) Barrios en la ciudad de Florencia (Caquetá), en especial los ubicados en las zonas rivereñas de las quebradas la Yuca, el dedo, la Perdiz y el río Hacha, han venido sufriendo constantemente inundaciones en épocas de lluvia, sin dar tiempo a sus habitantes para evacuar y evitar pérdidas materiales y en una frecuencia muy baja vidas humanas. La primera fase de este trabajo, es la puesta en marcha de una estación de monitoreo de seguimiento a la cantidad de lluvia que se precipita en Florencia y en consecuencia la variación del nivel del agua de quebradas y ríos; p ost erio r a est o s res u ltados se esp era la incorporación, a la estación de monitoreo, un sensor de alarma de nivel de agua en quebradas y ríos de la ciudad, que se activará alertando a los habitantes de zonas de inundación, sobre el aumento del caudal. “De acuerdo con el archivo de la Secretaria de Gobierno del Municipio de Florencia, Diario El Espectador (1962), Diario del Caquetá (1991, 1993, 1994, 1995) y Periódico Caquetá Histórico (1996, 1997, 1998), desde 1962 se han venido presentando inundaciones importantes, con pérdidas materiales y de vidas humanas. Entre otros registros, se tiene que el 4 de octubre de 1999 se presentó una inundación debido a una precipitación de 110,4 mm, sobre las cuencas de las quebradas La Yuca y El Dedo, en un lapso de tiempo de dos horas, que ocasionó la muerte a 5 personas y un saldo de más de 2000 damnificados. Igualmente, el 28 de abril y el 24 de mayo del año 2000 se presentaron dos crecientes en la Quebrada la Perdiz, ocasionadas por precipitaciones de 95 mm y 56 mm en lapsos de tiempo de cuatro y tres horas respectivamente; estos eventos dejaron más de 1000 personas damnificadas, con pérdida total de bienes y enseres. El registro de inundación Autor para correspondencia:ª[email protected] 2 Marín Peña et al./Momentos de Ciencia 9 (1), 2012, pp: 2 - 8 c ircu i t o s e i n s t a l a ciones el éc t r i ca s en lo s laboratorios. Estación de Monitoreo La estación de monitoreo desarrollada se ilustra en la figura 1 y consta de tres bloques que son: pluviómetro modelo TR-525M de la firma Texas E le c t r onic s I n c; si st e ma d e a dqui si c ió n , pr oce sa mien to y visu al iza c i ó n de dato s constituido por una tarjeta de adquisición DAQ6 22 1 d e Nati ona l Ins tr u ment s , un P C , i n s tr um en t o v irt ua l (VI) desa rr olla do en LabVIEW 7.1; un sistema fotovoltaico (SFV) que suministra la potencia eléctrica requerida para la operación autónoma de toda la estación. Pluviómetro Para medir la precipitación de la lluvia se utiliza el pluviómetro TR-525M de la compañía Texas Electronics Inc. es de tipo cubeta pulsante, con microinterruptor magnético de activación, con diámetro de entrada en el embudo de 245 mm, profundidad del embudo de 183 mm, potencia por pulso de 3Vdc hasta 30Vdc a 2A, o 115Vac a 1A, con una resolución en la medida de 0.1 mm, precisión de 1% hasta 50 mm/h, temperatura de operación de 0ºC hasta 50ºC, tiempo de reacción del impulso 135 ms. El pluviómetro viene previamente calibrado en milímetros por el fabricante listo para ser puesto en operación y consiste de un colector de aluminio con borde de corte, un imán que va unido a la paleta receptora La adquisición de datos en sistemas de monitoreo de variables ambientales y de sistemas fotovoltaicos, en general siguen una arquitectura t rad ic io n al que e mple a D a talo g ge rs o microcontroladores (Mukaro et at., 1998 ; Mukaro & Carelse, 1999), con funciones que establecen el tiempo en que se debe tomar una muestra de los sensores, transformar señales análogas a señales digitales y almacenarlas en la memoria del computador y finalmente, controlar un módulo de comunicaciones para transmitir la información a través del puerto serial del PC (puerto RS-232); para esto, una amplia variedad de tarjetas de adquisición de datos, DAQ han sido usadas (Wilson et at., 1997; Lundqvist & Ossenbrink, 1997). Métodos y Materiales. En la imp le me nt ac ión de l s e n s o r de pluviometría y el sistema fotovoltaico, se realizaron cuatro etapas consistentes en: diseño de la estación de monitoreo con tres bloques; i n s ta l a c i ó n d el s e n s o r d e pl u vi o m e t r ía ; c on d icio n a m ie n t o d e l c i rc u i to d e l sis tema fotovoltaico; y calibración y toma de datos experimentales; en la ejecución de las cuatro etapas se siguió los protocolos e instructivos de los fabricantes de los sensores de la estación de monitoreo, cuando se requirió la adaptación de Unidad de Adquisición y procesamiento de Datos PC Generador Fotovoltaico Inversor puerto RS-232 Modulo Fotovoltaico DAQ Regulador de carga Bateria 12Vdc Pluviometro TR-525M Pluviómetro Figura 1 Diagrama de la Estación de Monitoreo, (Carlos Andrés Corredor) 3 Marín Peña et al./Momentos de Ciencia 9 (1), 2012, pp: 2 - 8 una resistencia de precisión de 5 K? (Figura 2). del agua, que actúa sobre un interruptor magnético. Este es un interruptor que se cierra momentáneamente con el paso del imán y genera un diferencial de potencial en los extremos de la resistencia que se encuentra en serie con el sensor (pulso), evento que cuenta para realizar la lectura de la actividad pluviométrica (TR-525M Rainfall Sensor Datasheet). Para el caso de la medición de la actividad pluviométrica, se usó el sensor modelo TR-525M, con las especificaciones técnicas de la Texas Electronics Inc, las cuales son: V 5V 5 K Ohm Figura 2. Esquema del circuito para el censado de la señal del pluviómetro. La señal análoga que se genera es captada por la t arj e ta D A Q NI - 6 2 2 1, y de a cue r do a la programación que se construye en el VI para adquirir esta señal, el sistema solo contará un pulso cuando ésta detecte un voltaje igual o superior a 4.5 V. P ara en co n tra r e l v al o r apro xi m ado de almacenamiento de la cubeta, que constituye el instrumento de medida de la cantidad de agua que llueve en un momento determinado, se realizaron varias pruebas que consistieron en dejar caer al embudo recept or, dife rent es cantidades de agua lluvia y realizar el conteo de los pulsos generados para cada uno de dichos volúmenes. Los volúmenes de agua lluvia que se dejaron caer sobre el embudo del sensor, se fueron aumentando en cantidades iguales de 50 ml hasta llegar a un volumen total de 2500 ml. Cada una de las medidas de volumen fue realizada con una pipeta que tiene una medida mínima de 0.1 ml y una capacidad máxima de 50 ml. De este proceso se obtuvo lo siguiente: volumen de agua (ml) precipitada Resolución: 0.1 mm Métrico Precisión: 1.0% up to 2”/hr (50 mm/hr) Diámetro del 9.66” (245 mm) con filo al borde colector: Profundidad del 7.2” (183 mm) embudo: Protección de >2” (50 mm) salpicadura: Temperatura de 32 to 125° F (0 to 50° C) operación: Temperatura de -40 to 160° F (-40 to 70° C) almacenado: Límite de 0 to 100% humedad: Peso: 2.5 lbs. (1.2 kg) Altura: 12” (305 mm) Cable: 60’, 22 gauges, 2 conductores Interruptor: Momentary potted reed switch Switch rating: 30 VDC @ 2 A, 115 VAC @ 1 A Tiempo cierre 135 ms interruptor: Bounce Settling 0.75 ms Time: Pivote: Hardened SS Jewel & Pivot Cubeta: Black ABS injection molded Nivel: Integral Bubble Level La resolución presentada por el fabricante de 0.1 mm métrico, corresponde a la altura de la columna de liquido almacenada en un metro cuadrado de área, el cual genera un volumen de 100 ml cúbicos. Esto significa que cada pulso g enerad o por el sen sor, repr es enta una precipitación volumétrica de 100 ml cúbicos de agua. Hay que tener en cuenta que la información suministrada por los sistemas meteorológicos hace ref erenci a a l a columna d e l í qu i d o distribuida en un metro cuadrado, y se expresa en unidades de milímetro (mm). El sensor se conecta a una fuente de poder de corriente continua con salida de +5V y en serie con 2500 A Linear Ftl of Data 1_A 2000 1500 1000 500 0 Pulsos Figura 3. Curva generada por los datos de pulsos registrados por el sensor vs volumen de agua precipitada sobre el sensor. De acuerdo a los sistemas internacionales de medida para la pluviometría, se considera que todas las formas de precipitación se miden sobre la base de una columna vertical de agua que se acumula sobre el terreno. Para el caso de la lluvia la escala de la columna a medir está dada en milímetros y el área sobre la cual se almacena el 4 Marín Peña et al./Momentos de Ciencia 9 (1), 2012, pp: 2 - 8 de datos NI DAQ-6221 de National Instruments, la cual tiene una resolución de 16 bits, 16 entradas análogas (8 canales en modo diferencial y 16 canales en single ended) que van de 0V a ±10V y dos salidas análogas (de 0V a 10V y corriente de 50mA), la velocidad de adquisición de la tarjeta es de 250 kS/s, con la DAQ se mide y digitaliza las señales análogas generadas por los sensores y transmite los correspondientes datos al PC y finalmente a través de VI´s se procesa, almacena y visualiza la información con ayuda del PC La adquisición de datos comienza con el fenómeno físico a ser medido. Este fenómeno es la intensidad de l l uvia. A través de u n tra n sductor/sensor, el fenómeno físico es convertido en una señal eléctrica medible, (frecuencia, voltaje, corriente). Las características eléctricas de salida de los transductores son generalmente diferentes, y en general se requiere de sistemas electrónicos de acondicionamiento de la señal que hay que incluir en el sistema de adquisición. Sistema fotovoltaico La estación de monitoreo incluye un sistema fotovoltaico (SFV), el cual está conformado por un arreglo de módulos solares, un banco de baterías y un sistema electrónico para controlar la carga y descarga de la batería (ver figura 1). El arreglo de módulos solares se usa para cargar un banco de baterías, el cual suministra la potencia eléctrica tanto a la carga DC como a la carga AC a través de un inversor agua es de un metro cuadrado. Medición Actividad Pluviométrica La se ñ al an á lo g a que se genera en el pluviómetro es medida por la tarjeta DAQ NI6221, y luego a través del programa desarrollado para la implementación del VI, el sistema solo contará un pulso cuando ésta detecte un voltaje igual o superior a 4.5 V. Para la medida de dicho pulso se utiliza el circuito que se ilustra en la figura 4. PC DAQ Figura 4. Diagrama del circuito implementado para medir los pulsos emitidos por el pluviómetro. El pluviómetro actúa como un switch o interruptor, cada vez que se produce un pulso el interruptor se cierra y se detectan los 5V en la Resistencia de 5K? . Para encontrar el valor aproximado de almacenamiento de la cubeta, que constituye el instrumento de medida de la cantidad de agua que llueve en un momento determinado, se realizaron varias pruebas que consistieron en dejar caer al embudo receptor, diferentes cantidades de agua lluvia y realizar el conteo de los pulsos generados para cada uno de dichos volúmenes. Los volúmenes de agua lluvia que se dejaron caer sobre el embudo del sensor, se fueron aumentando en cantidades iguales de 50 ml hasta llegar a un volumen total de 2500 ml. Cada una de las medidas de volumen fue realizada con una pipeta que tiene una medida mínima de 0.1 ml y una capacidad máxima de 50 ml. Realizado el proceso anterior se encontró que un pulso se generó cuando el volumen depositado en la cubeta del pluviómetro es de 5,329375955 ml, de manera que al relacionar el área de entrada del embudo con el área de un metro cuadrado se obtuvo una relación de 21,21182082 obteniéndose una resolución de 1,112225 mm Sistema de Adquisición y Procesamiento de Datos Para la adquisición de los datos generados por los sensores se utiliza una tarjeta de adquisición Relación I-V en condiciones estándar de medida 10 Pmax Corriente (A) lm 8 7 6 Relación I-V 5 4 3 2 1 0 Relación P-V 0 2 4 6 8 200 180 160 140 120 100 Potencia (W) 5Vdc Microinterruptor delpluviometro TR-525 M 5KΩ 10 12 14 16 Vm 20 80 60 40 20 0 22 Pmax Figura 5. Característica I-V y P-V del modulo utilizado en el SFV. Voltaje (V) Se usaron módulos solares ISOLER I-150S/12 de Silicio monocristalino, fabricados por la firma Isofotón, cuya característica I-V y P-V medidas bajo condiciones estándar de operación (1000 W/m2, T=25°C, AM 1.5) (figura 8). 5 Marín Peña et al./Momentos de Ciencia 9 (1), 2012, pp: 2 - 8 de la columna de lluvia precipitada, un metro cuadrado, es de 21.21182082. Esto indica que el volumen captado por la cubeta del sensor que es de 5.329375955 cm3, equivale a un volumen de 113.0457678 cm3 dentro de un área de un metro cuadrado, que para efecto de la medida de la col um na de li qu i d o al o jad o , corresp o nd e aproximadamente a 0.113 mm de altura. Se observa en la Figura 3 una gráfica de tipo lineal entre los diferentes puntos, de manera tal que se pudo determinar el valor de la pendiente de dicha recta el cual resultó ser de 5,329375955 cm3/pulso, que para este caso corresponde al valor del volumen de agua alojada en la cubeta del sensor al momento de generar el pulso. El análisis a los datos de esta curva, genera como resultado la siguiente ecuación V=P*5.329375955, donde V corresponde al volumen de agua medido y P al número de pulsos captados. En el VI que se realizó, la figura de un tanque permite visualizar la altura de la columna de agua almacenada durante el transcurso del día (si se ha producido precipitación de agua) y una ventana muestra numéricamente el valor de dicho volumen, esto en tiempo real. Además se observa un botón de color verde oscuro, el cual cambia a color verde claro en el momento que se produce y es capturado un pulso generado por el sensor de pluviometría. Este VI graba de forma automática en una hoja electrónica tipo.xls los datos que se están adquiriendo, estos datos son guardados con la fecha y hora exacta de ocurrencia del evento para su posterior análisis. Una gráfica obtenida de los datos registrados por el VI de la actividad pluviométrica es la figura 6, esta gráfica se obtuvo a partir de los datos generados por el pluviómetro el día 7 de diciembre de 2006 que fue un día lluvioso. La figura 7, muestra que en el periodo de prueba del pluviómetro durante el mes diciembre los días 2, 5, 8,9,16, 23,29.30 y 31 fueron días secos, mientras los días 3, 17, 25 y 28 se presento un nivel de actividad pluviometrica superior a 25 mm/día. En la figura 8 se ilustra el comportamiento de la actividad pluviométrica en el mes de diciembre en Florencia (Caquetá), que es el lugar donde está la estación que se implemento. La elección del tipo de transductor a utilizar de acuerdo a las variables físicas a medir y su adaptación al sistema colector de la media, contribuyó para que los datos capturados brindaran información completa y confiable para el análisis de las variables, para el caso específico Bajo condiciones estándar de radiación y temperatura, el módulo genera una potencia máxima (Pmáx) de 150Wp ±5%, una corriente de máxima potencia (Imáx) de 8.7A, una tensión de máxima potencia (Vmáx) 17.3V, una corriente de corto circuito (Isc) de 9.3A y una tensión de circuito abierto (Voc) de 21.6V. Cómo las baterías usadas son de plomo ácido, para aumentar su vida útil es necesario incluir un control electrónico que evite su sobrecarga cuando hay exceso de radiación solar o que estas se descarguen por debajo de la profundidad de carga recomendada por el fabricante cuando hay bajo nivel de radiación. Para esto se usó un regulador de carga ISOLER 10 de la firma ISOFOTON con las siguientes características: tensión nominal de 12V, corriente máxima de consumo de 10 A, regulación serie controlada por microprocesador con relé de estado sólido, sistema de regulación de carga profunda, compensación por temperatura (2mV/°C) mediante sonda externa, desconexión del consumo por baja tensión y del generador por alta tensión, con reconexión automática. También dispone de alarmas locales de alta y baja tensión de batería, sobrecarga, cortocircuito, mediante leds. El consumo de potencia DC se produce en el sensor, la DAQ y el sistema de alarma, mientras que el consumo de potencia AC se produce por el PC. La polarización del sensor y de la tarjeta de adquisición al igual que la generación de la potencia consumida por la alarma sonora se realiza mediante conexión directa a la batería. La potencia AC consumida por el PC se genera con un inversor que se conecta entre la batería y el PC. Para esto se usó un inversor ref. VEC033 de la firma Vector, con las siguientes características técnicas: Potencia nominal 400W, eficiencia 80-90 %, corriente de 3.5A, tensión de entrada de 10 . 5Vdc a 1 4 .5V d c y t e n sión d e s a l id a 110Vac–120Vac RMS a una frecuencia de 60Hz, sistema automático apagado para caídas de tensión de 10.5Vdc. Resultados y discusión En el proceso de calibración y colección de datos en el sistema del pluviómetro, se encontró que la relación existente entre el área del embudo colector del sensor el cual tiene un diámetro de 245 mm, que genera un área de 47143,52476 mm2 y el área sobre el cual se debe realizar la medida 6 Marín Peña et al./Momentos de Ciencia 9 (1), 2012, pp: 2 - 8 situaciones reales muy concretas que tiene el departamento del Caquetá, por sus características geográficas, que articulado a un sistema de alerta de forma visual o sonora, monitoreada vía internet o presencial en la estación de monitoreo, contribuye a disminuir el nivel de riesgo para los habitantes de una determinada población en relación a pérdidas económicas y humanas. L a implem e ntación d e u n s i ste ma de alimentación tipo SFV contribuye a la autonomía del sistema y garantiza su funcionamiento durante largos periodos de tiempo sin depender d e r edes e l éctr i cas int e rcone c tadas y sus pe r m a nen te s f luctu a ci on es, a sí c omo l a s dificultades que se presentan en algunas zonas del departamento donde la deficiencia del servicio de redes eléctricas en algunas zonas es nula o deficiente, presentándose de esta manera u n a d ificu l tad en la in s t alac ión d e lo s pluviómetros. La información colectada durante el periodo de calibración del sensor de pluviometría se confronto con datos de estaciones cercanas (aeropuerto “Gustavo Artunduaga Paredes y el Centro de investigación Macagual), permitiendo obtener un alto grado de correlación (98%) entre los datos adquiridos en la estación prototipo de monitoreo y la otras dos estaciones meteorológicas del IDEAM. Se logró el diseño de la estación de monitoreo, con la incorporando el sensor de pluviometría y sistema fotovoltaico, que da autonomía al sistema para su funcionamiento de dos días (48 horas), permitiendo sortear las dificultades de las falencias que se presenta en algunas zonas del departamento y zona rural del municipio de F l orenc i a , d on d e l a s redes e l é ctr i c as d e alimentación son deficientes; el sistema permitirá medir y monitorear en tiempo real la actividad pluviométrica en la zona donde sea instalado. La estación de monitoreo, permite la adaptación de otros sensores como es el caso de un sensor de nivel de agua, que se puede instalar en lugares específicos en quebradas y ríos de zonas de alto riesgo, que activará una alarma en caso que el río o quebrada aumente rápidamente el nivel de su caudal. Se a lca n z ó l a ca l ibr a ción del s e n so r de pluviometría de la Texas Electronics, Inc., Modelo TR-525M, que captura la señal a través de la tarjeta DAQ NI-6221, y programación construida en el VI para adquirir la señal, con un alto grado de confiabilidad, confrontado con datos de otras de pluviometría. Volumen (mm) Figura 6: Panel Frontal del VI del pluviómetro. 25 20 15 10 5 0 0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00 Hora Figura 7: Gráfica de actividad pluviométrica del 7 de diciembre de 2006. Volumen (mm) 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 Dia Figura 8: Actividad pluviométrica del mes de diciembre de 2006. La facilidad con la cual se puede construir y adaptar el instrumento virtual de acuerdo a las necesidades del sistema a estudiar, unido a la confiabilidad en la captura de los datos, permite tener sistemas seguros y permanentes que suministren información importante en un momento de análisis y toma de decisiones, en el caso que involucre la variable de pluviometría en la región de estudio, ya sea urbana o rural del Municipio de Florencia. La toma de información de manera continua, confiable y segura permite que se pueda aplicar a 7 Marín Peña et al./Momentos de Ciencia 9 (1), 2012, pp: 2 - 8 Solar Cells, 47: 289-94. p Marín J.A. y Peláez, M. Las precipitaciones y recursos hídricos del piedemonte amazónico colombiano. Estudio de caso quebrada la Perdiz (Florencia-Caquetá). Documento en estudio en la revista Momentos de Ciencia. Mukaro, R., XF. Carelse,. & L. Olumekor, 1998. “First performance analysis of a silicon-cell microcontroller based solar radiation monitoring system.” Revista. 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México. 2003. estaciones cercanas de manejo manual; el sistema solo cuenta un pulso cuando ésta detecte un voltaje igual o superior a 4.5 V; se analizó los datos de pulsos generados por el sensor vs volumen de agua precipitada sobre el sensor. La implementación del sistemas autónomo, con versatilidad de adaptación de acuerdo a las necesidades del medio, unido a la captura de datos efectiva por medio de transductores c o nf i a b les, per mi te g ene r a r so l u c ione s a problemas de tipo local, regional o global, para mejorar la calidad de vida de una población determinada. Literatura citada Benghanem, M. & A. Maafi, 1998. “Data acquisition system for photovoltaic systems performance monitoring”. Revista: IEEE Trans. Instrument. Meas, 47: 30–33. p Lundqvist, C. & H. A. Ossenbrink, 1997. “ESTI-LOG PV Plant Monitoring system”, Revista: Solar energy Materials and 8