Construcción de una Estación Meteorológica.
En construcción.
Actualizada 2-11-2008
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Instalación con garita térmica y anemómetro mecanico. |
Acceso a la estación via internet: Servidor en el PC - Servidor en el COR
La
presente estación meteorológica esta especialmente diseñada como accesorio del
observatorio astronómico.
Este
uso especial hace que disponga de sensores inexistentes en estaciones
comerciales, como son el sensor de nubes y el de lluvia. El resto de medidas
que proporciona son: temperatura ambiente, humedad relativa, punto de rocío,
pluviómetro, velocidad y dirección del viento. Dispone de cuatro entradas
libres para añadir otro tipo de sensores.
Su
principal característica es el no poseer partes móviles, exceptuando el
pluviómetro. El anemómetro y la veleta son de estado sólido. Este tipo de
sensor se usa en entornos extremos debido a su gran robustez. Es posible
encontrarlo en zonas de alta montaña y en entornos militares como por ejemplo
tanques. Aquí en cambio lo que se pretende es facilitar la construcción y
conseguir un diseño compacto.
Aunque
actualmente puede verse un anemómetro móvil en el mástil, su función es ayudar
al diseño y calibración del térmico.
Ocurre
con frecuencia que al rato de empezar la sesión de observación se empieza a depositar
rocío sobre el equipo arruinando la sesión. Esto se evita aplicando
calentadores a las partes criticas del telescopio. Conociendo el punto de rocío
es posible encender los calentadores justo antes de que este engorroso fenómeno
se produzca.
Fig. 1a Ejemplo de una noche que se
nubla y llueve. Cuando empieza la lluvia la indicación de nubes baja debido a
que el sensor se ha mojado, a pesar de todo la parte mojada sigue más caliente
que la inferior seca.
Otra
situación cada vez más frecuente se presenta con el uso de cámaras CCD. Es
posible dejar trabajando al equipo en una secuencia de adquisición mientras nos
vamos a hacer otra cosa o a dormir un rato. En este caso además de tener que
encender los calentadores, puede ocurrir que se nuble e incluso empiece a
llover. En primer lugar el sensor de nubes avisa de la inutilidad de seguir
haciendo fotos y de lo conveniente que puede ser cerrar antes de que empiece a
llover. El sensor de lluvia confirmara la peor situación y además, si las nubes
se van, nos indicará cuando se ha secado el entorno.
Otro
factor importante a la hora de abrir o cerrar el observatorio es la velocidad
del viento, también puede ser una información útil de cara a evaluar la
turbulencia atmosférica.
Y
por supuesto, el escenario donde una estación meteorológica pasa a ser
imprescindible es cuando se llega a la automatización y al control remoto de un observatorio.
Como rareza pero también en el ámbito
astronómico, puede ser interesante registrar los efectos de un eclipse solar.
En el ejemplo tenemos las graficas del eclipse anular de sol del 2005:
Fig. 1b Temperatura durante el eclipse anular de 2005 (
ampliación)
Fig. 1c Humedad relativa y sensor nocturno de nubes (sol de
día) durante el eclipse anular de 2005 (ampliación)
Según las necesidades, la estación puede utilizarse
de los siguientes modos:
- Los datos se leen por un puerto serie y se presentan en el PC.
- Los datos se integran en el programa de control del observatorio.
- Mediante dos salidas auxiliares y de forma autónoma, la estación
puede encender los calentadores contra el rocío o cerrar el observatorio
para protegerlo de la lluvia.
- Los datos se presentan en el interior de la vivienda en un display
LCD (por desarrollar ).
La comunicación con la estación por
puerto serie se basa en el siguiente protocolo: protocolo meteo.pdf Conociendo el protocolo es posible escribir un
programa propio.
Para construir el cuerpo de la estación se
puede recurrir a materiales fáciles de encontrar y no son necesarias
herramientas especiales.
En este caso se ha recurrido al PVC empleado
en la construcción. Son necesarios dos manguitos y tres tapones de 110mm de
los. Se trata de construir dos cilindros, uno abierto por arriba para el pluviómetro
y otro cerrado para la electrónica.
Fig.2 Situación de sensores en la estación.
De la estación salen dos cables, uno para el
sensor de nubes y otro para el puerto serie y la alimentación. La fuente de
alimentación de la estación (12v 300mA) sirve para sacar el puerto serie o las
señales de control.
El circuito se basa en un microcontrolador
compatible 8051. El modelo aquí usado es el 89S52 de Atmel, tiene 8KB de
memoria flash y puede ser programado sin sacarlo de la placa con un simple
cable a través del puerto paralelo.
Fig. 3 Diagrama de bloques de la estación.
Los componentes son relativamente corrientes
y pueden encontrarse todos en Farnell. No se han usado componentes de montaje
superficial para permitir el montaje de la estación en forma de kit.
El conversor AD es un ADC0838, de ocho
canales y ocho bits. Para el anemómetro-veleta se dispone de un conmutador
analógico de ocho canales y un amplificador de instrumentación INA126. El resto
de los acondicionamientos de señal se hace con un operacional LM324.
Fig. 4 Placa de circuito impreso.
Sensor de lluvia.
Su misión es detectar la caída de las
primeras gotas de lluvia. Se encuentra situado en el embudo del pluviómetro. El
elemento sensor es una placa de circuito impreso con dos pistas entrelazadas
muy próximas que forma parte de un divisor de tensión de alta impedancia.
Cuando una gota de agua une las dos pistas y la caída de tensión en el divisor
cambia.
Sensor de nubes.
Nos permite saber cuando se nubla. El
detector es sensible a nubes espesas y bajas que son las que producen lluvia.
Estas nubes reflejan buena parte de la radiación infrarroja de la tierra. Se
trata por tanto de comparar la radiación procedente del cielo y de la tierra.
Se han usado diferentes tipos de sensores,
hay modelos comerciales que se basan en termopilas. Se trata de poner un sensor
enfocado a la tierra y otro al cielo. Esto implica el uso de amplificadores
diferenciales y los correspondientes ajustes.
Sin duda el mejor sistema, inmune a
fluctuaciones de temperatura y otros desajustes, fue desarrollado por Louis J.
Boyd. Magnifico por su simplicidad, se basa en el efecto peltier. El módulo
peltier es un dispositivo reversible, del mismo modo que genera una diferencia
de temperatura entre sus caras al aplicarle tensión, una diferencia de
temperatura entre sus caras genera una tensión. El peltier es diferencial por
si mismo y no necesita ajustes, además es muy robusto mecánicamente.
Fig. 5 Partes del sensor de nubes: dos planchas de aluminio,
aislante térmico y el módulo peltier.
Como colectores de la radiación infrarroja se usan
dos planchas de aluminio de 15x15cm separadas por un aislante térmico y
selladas por los bordes con silicona. Igualmente los tornillos para sujetarlas
deben tener aislantes de plástico para evitar un puente térmico.
Pluviómetro
Permite medir las precipitaciones. Consta de
una doble cazoleta basculante con un sensor para detectar su movimiento. Para
calibrar el punto en que bascula en cada posición se ajustan dos tornillos que
hay debajo. Para detectar el movimiento de la cazoleta se puede usar un sensor
óptico o un rele reed.
Fig.6 Cazoleta del pluviómetro.
La unidad actual esta ajustada para que
bascule con
El embudo del pluviómetro debe estar
calefactado para poder medir precipitaciones en forma de nieve. Normalmente el
pluviómetro es un elemento separado de la estación y debe contar con un
calentador propio.
Fig. 7 Interior del pluviómetro con el regulador de tensión
como calefactor.
En este caso, para calefactarlo, se aprovecha el calor generado por el regulador de tensión de la estación. Además de ahorrar un disipador, se aleja definitivamente la principal fuente de calor del sensor de temperatura que esta abajo.
Anemómetro y veleta.
La estación dispone de una entrada para
anemómetro mecánico pero la velocidad del viento también se puede obtener con
sensores sin partes móviles. El método clásico se llama de filamento
caliente: el flujo de calor desde el hilo hacia el ambiente es función de
la velocidad del aire que lo circunda y sigue una ley cuadrática. La potencia
disipada es proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad del viento.
Midiendo cuanta energía necesitamos proporcionar para mantener la temperatura,
podemos saber la velocidad del viento. Con este tipo de sensor es posible
obtener medidas de mucha precisión y tiempos de respuesta muy altos, hasta
2KHz, dependiendo de la construcción.
La veleta se obtiene colocando varios
anemómetros en el perímetro de un cilindro vertical. Para determinar la
dirección del viento basta saber que sensor detecta la mayor velocidad del
viento.
En equipos de gama alta el sensor es de
platino. Una alternativa barata es usar transistores o diodos zener.
Fig. 8 Sensor del anemómetro-veleta térmico con seis diodos
zener más uno de referencia.
Después de haber experimentado algunos
anemómetros de estado sólido basados en transistores (Woodward, Stephen. Self-heated
transistor digitizes airflow. EDN Magazine. Design Ideas Marzo 1996), el diseño que más me ha gustado por su sencillez y
fácil construcción es el basado en diodo zener, una idea desarrollada por
Miguel de
Consiste en aplicar al zener una tensión
constante que lo mantenga en la zona zener con una corriente de unos 30mA.
Cuando el viento sopla, el zener tiende a enfriarse. Como la tensión esta
fijada por una fuente externa, lo que cambia es la corriente que tiende a
aumentar para restablecer la temperatura de trabajo.
Este anemómetro-veleta consta de seis
diodos zener montados equidistantes sobre un cilindro vertical más uno de
referencia colocado en su interior. El zener de referencia sirve para compensar
el efecto de la temperatura ambiente.
Si solo se quiere disponer del anemómetro,
basta colocar un único zener (además del de referencia) en el pin 8 de J8. En
todo caso la estación siempre va a dar seis lecturas, se usen o no, siendo el
programa del PC quien decida que lecturas usar.
Fig. 9 Grafica obtenida girando la estación delante de un
ventilador, primero de 90 en 90 grados y luego de 45 en 45.
En amarillo la dirección y en rojo una medida proporcional a
la velocidad.
La construcción de este sensor es delicada. Debido a
que el zener es un componente de poca precisión, es necesario hacer medidas
para escoger seis que tengan la tensión zener lo más parecida posible. El zener
de referencia debe ser el que tenga la tensión zener más baja.
Fig.10. Curva resultante de la calibración del anemómetro.
Fig.11. Grafica real mostrando el ajuste entre el anemómetro
mecánico y el térmico.
Temperatura, humedad y
punto de rocío.
Para leer la temperatura y la humedad se usa
el SHT11 de Sensirion. Este sensor incluye todo el acondicionamiento de las
señales y un convertidor AD de 14 bit.
Respecto al punto de rocío, hay sensores
específicos para hacer esta medida pero para la aplicación que nos ocupa se
obtiene suficiente precisión calculándolo a partir de la temperatura y la
humedad.
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Fig.12 Pasos para preparar el SHT11.
Enrollando un trozo de alfombrilla de ratón sobre los cables
se consigue fijar el sensor a un pequeño tubo de plastico. Un trozo de malla
fina permite el paso del aire por la sonda.
El sensor es muy pequeño, para conectarlo se
aconseja seguir los siguientes consejos:
1 - Usar cables en cinta plana. La distancia
entre cables coincide con la distancia entre contactos. Al estar sujetos entre
si, facilitan la colocación.
2 - El soldador debe tener la punta limpia y
afilada como un lápiz. No usar soldadores con mas de 40W de potencia. Una luz
con lupa ayuda bastante.
3 - Para proteger el sensor conviene meterlo
en un tubo de plástico y cerrarlo con una fina malla que permita entrar solo el
aire.
Este sensor va colocado en la parte inferior
de la estación para protegerlo del sol directo y de la lluvia.
Barómetro.
Para el barómetro se usa un sensor de presión MPXA6115A6U. Va colocado sobre una plaquita auxiliar. Pinchar para descargar esquema y fotolito.
Fig.13 La plaquita del barómetro con el sensor por debajo y
su colocación sobre la placa principal.
Una plaquita con dos reles permite usar las
salidas de control de la estación a la vez que contiene el puente y condensador
de alimentación. Solo es necesario añadir un transformador de 12v 300mA.
Fig.14 Placa de alimentación y reles de control.
La placa es a simple cara para que pueda fabricarse fácilmente. Pinchar para descargar esquema y fotolito.
EMA v2, Nueva versión. (Enero
2009)
Nueva versión basada en el modelo anterior
pero incorporando toda la experiencia acumulada en estos cuatro años. Se
incorporan nuevas prestaciones y se simplifica el montaje. El microcontrolador
tiene mayor capacidad: 64K flash, 2K RAM y 8 canales AD de 10bit.
Fig.15 Prototipo final del circuito principal.
Fig.16 Nueva placa de
alimentación y reles de control.
--- Novedades incorporadas:
- Data loger de 500KB para almacenar:
o
Lecturas cada 5 minutos durante 24h.
o
Máximas y mínimas cada hora de las
últimas 24h.
o
Máximas y mínimas diarias de un año.
- Reloj en tiempo real para datar las lecturas
almacenadas.
- Actualización del programa por puerto serie.
- Entrada para sensor de brillo del cielo
nocturno.
- Entrada compatible con anemómetro-veleta
comercial TX20 de
- Protocolo de comunicación compatible con
programas comerciales como Wheather Display ó Virtual Weather Station.
- Barómetro incorporado en la placa.
- Sensor de
temperatura adicional en la placa.
- Puerto I2C para
múltiples sensores externos.
- Conectores RJ
para hacer muy fácil el cableado.
- Anemómetro térmico por I2C.
--- Cambios efectuados:
No se ha colocado en la placa el circuito de
acondicionamiento necesario para el anemómetro con diodos zener aunque siguen
estando disponibles las señales de entrada/salida necesarias para colocar ese
circuito fuera de la placa.
Se implementa un nuevo anemómetro térmico
basado en sensores térmicos digitales, mucho más fácil de calibrar.
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