INNOVACIÓN TECNOLÓGICA

 

Dispositivo para la adquisición y visualización en tiempo real de la velocidad y dirección del viento en una posta radiológica

Device for the acquisition and visualizationon real time of the wind speed and direction at a radiological post

Luis Miguel Ledo Pereda1, Orlando Domínguez Ley2, Dolores Alonso Abad2, Rolando Guibert Gala1, Enma O. Ramos Viltre2

1Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN)
Calle 30 N°502 el Sta y 7ma Ave. Miramar, Ciudad de La Habana, Cuba

2Centro de Protección e Higiene de las Radiaciones (CPHR)
Calle 20 N° 4113 el 41 Y47, Playa, La Habana, Cuba


RESUMEN

El trabajo muestra el desarrollo, construcción y puesta a punto de un dispositivo destinado a la adquisición y transmisión en tiempo real de la información sobre el comportamiento de las variables meteorológicas: velocidad y dirección del viento. Se introduce por primera vez en un puesto de observación el monitoreo automático, en tiempo real, utiliz'ilndo las herramientas que ofrece la digitalización de la información y la computación. Los datos obtenidos son registrados en una PC, se visualizan adecuadamente y pueden ser objeto de análisis posteriores. Se desarrolló el programa de aplicación Autoclima para este propósito.


ABSTRACT

The paper pictures the development and construction of a device capable of acquiring and transmitting
the information on the behavior of the wind speed and direction, on real time. It is first time introduced at an observation post this kind of monitoring performed automatically, on real time, using computational and digitizing tools, while a PC for its later analysis and visualization registers the provided data. For that purpose an application program Autoclima was developed.

Key words: wind, velocity, monitoring, computer calculations, environment, regional analysis, data processing, radiation protection


INTRODUCCION

La Red Nacional de Vigilancia Radiológica Ambiental (RNVRA) tiene entre sus funciones controlar los principales indicadores de contaminación radiactiva, dirigido a la detección y evaluación de accidentes radiológicos. Para este propósito se necesita de la información sobre la velocidad y dirección del viento con el fin de evaluar el impacto radiológico de una posible contaminación radiactiva del territorio nacional [1], [2].

El registro de esta información en la posta radiológica de occidente de la RNVRA, que se encuentra en el Centro de Protección e Higiene de las Radiaciones (CPHR), se realizaba con el uso de los instrumentos clásicos que registran mecánicamente, sobre papel milimetrado, durante un tiempo limitado los valores de las variables meteorológicas. Para obtener la información de las variables, era necesario trasladarse hasta el equipo registrador periódicamente y de una forma incómoda e imprecisa realizar la lectura para el análisis posterior de los datos.
El trabajo muestra la adquisición automática, la transmisión y visualización en tiempo real, en una PC de la información sobre el comportamiento de las variables meteorológicas de interés. Se realizó el desarrollo, construcción, montaje y puesta a punto de los circuitos impresos y electrónicos y de un software para un dispositivo capaz de cumplir con tal objetivo.

MATERIALES Y MÉTODOS

El dispositivo desarrollado se compone de los siguientes bloques:
. Transductores o captadores
. Bloque de adquisición de las señales de los transductores
. Bloque de conversión y transmisión
. Bloque de las fuentes de bajo voltaje . Software Transductores o captadores

Son los sensores que transforman las magnitudes de la intensidad y dirección del viento
en señales eléctricas proporcionales (ver explicación más adelante).

Bloque de adquisición

Consiste en una tarjeta de circuitos impresos, contenedora de los circuitos electrónicos diseñados para procesar las señales generadas por los transductores o captadores.

Dirección del viento

Dos circuitos independientes realizan el monitoreo de esta variable. Uno, el sensor de dirección del viénto, mecánicamente acoplado a la caña de la veleta, cuya función es captar su posición respecto al norte geográfico (figura 1). El otro ubicado en el bloque de adquisición (figura 3), que refuerza y conforma las señales generadas por el primero.

El captador de la dirección del viento (figura 1), se construyó sobre una tarjeta de circuito impreso de forma circular, ella se inserta en la caña de la veleta y se inmoviliza con respecto a esta. El captador tiene identificados sus "puntos cardinales" y su norte se debe orientar con ayuda de una brújula hacia el norte geográfico, para
garantizar la fidelidad de la lectura.

La tarjeta del captador contiene 8 reed relés y resistencias dispuestos equidistanternente, que hacen la función de sensores de posición al activarse por un imán. Este imán rota con la veleta, pues está fijo a la misma en su caña a una altura adecuada sobre los reed relés (figura 2).

El imán escogido puede activar dos relés contiguos al ubicarse entre éstos. Por ello se captarán las direcciones intermedias y se incrementará a 16 la cantidad de direcciones registrables (figura 1).

Según la posición de la caña se activará al menos un relé y dos como máximo, de ahí que en las salidas del sensor que son ocho (figura 1), siempre habrá disponible una combinación de ceros y unos lógicos, exclusiva para cada una de las 16 direcciones identificables. Su aparición será indicador de que en ese momento el viento sopla desde esa dirección.

La señal de 8 bits producida en la tarjeta sensora se alimenta, a través de una cinta de cables, a las compuertas lógicas del circuito integrado (CI) MC74LS14 (figura 3), ubicado en el bloque de adquisición. Por sus características este CI es capaz de transformar los frentes lentos de los pulsos en frentes abruptos, limpios, con un mayor margen de protección contra los ruidos.


Posteriormente la señal es alimentada a uno de los puertos del bloque de conversión y transmisión de la información.

Velocidad del viento

Esta información se obtiene del molinete (captador) del Anemocinemómetro soviético M-57 disponible en la posta. Su señal se alimenta a la entrada del circuito de amplificación ubicado en el bloque de adquisición (figura 4). Su etapa inicial 01, 2, 3, 4, C19, 20 convierte la señal alterna del sensor en un voltaje directo (VCD), proporcional a la intensidad del vie'nto, su respuesta es lo suficientemente rápida para seguir los cambios abruptos e intensos que pueden ocurrir.


Las señales en el dispositivo no serán mayores de 5 volts pero en situaciones favorables de intensidad del viento este nivel se puede superar, lo que significa pérdida de información. El atenuador constituido por R30, 31, 52, evita que ocurra esta situación. La señal atenuada se alimenta a la entrada del amplificador de instrumentación, construido según el esquema clásico [3]. Esta configuración garantiza una alta impedancia de entrada y la amplificación de la señal de interés, que es la que aparece aplicada en R31.

El voltaje a la salida es proporcional a: Vsalida = Ventrada*(2*R5/Rg)*(R2/R1), siempre que R5=R6 y R1=R3=R4.

La calibración de la medición se realiza escogiendo el valor adecuado de la resistencia de ganancia (RG), para que la lectura sea fiel al patrón utilizado.

La señal de salida del amplificador de instrumentación es alimentada a uno de los converso res análogo digitales (ADC) del bloque de conversión y transmisión.

Los ajustes del dispositivo se realizan utilizando equipos previamente calibrados por el Instituto de Meteorología, su utilización como referencia es la única forma de confirmar la veracidad de la lectura.

Bloque de conversión ytransmisión

Es un KIT de desarrollo previamente diseñado en el Centro de Aplicaciones Tecnológicas y Desarrollo Nuclear (CEADEN), construido en base al microcontrolador SAB C515, utilizado en otras aplicaciones [4]. El SAB C515 es miembro de la familia SAB 8051 de microcontroladores de 8 bits de SIEMENS.

El principio de funcionamiento del KIT parte de grabar los códigos que se ejecutarán en un dispositivo de tipo ROM (EPROM, EEPROM, etc.) y que el microcontrolador los ejecute desde el mismo. Las señales adecuadas en el bloque de adquisición se alimentan a uno de los ADC y de los puertos paralelos del KIT. Una vez realizado el procesamiento la información se envía por puerto serie hacia la PC mediante una interfaz RS 232 disponible en el KIT.

Software

Los datos enviados por el puerto serie del KIT se registran en una PC, se visualizan y se pueden analizar, utilizando el programa de aplicación Autoclima, diseñado para este propósito. El programa se desarrolló en LABVIEW, lenguaje de programación dirigido a objetos, y se estructuró en tres bloques. El primero establece la interfase PC-KIT, el segundo realiza la visualización (figura 5) de la información en la PC y el tercero garantiza
el registro de la información en un fichero con una periodicidad predefinida.

. Software del KIT de desarrollo:

Consiste en la rutina de programación del conversor ADC, la rutina de programación de la RS 232 y el programa principal, que es un ciclo de espera infinita de que se reciba el comando de lectura de las variables meteorológicas. El comando de lectura procede del software de aplicación y provoca la ejecución de la conversión de la señal de la velocidad del viento y la generación del código digital asociado a la dirección del viento. Estos dos valores se envían hacia la PC en forma de paquete con el formato: @<vel.vto>#<dcion.vto>.

. Software de Aplicación:

Se desarrolló en LabView (figura 5) y lo integran los siguientes módulos:

1. Módulo RS-232: genera y envía hacia el KIT, por puerto serie, cada 1 minuto el comando de lectura-de las variables; también procesa el paquete de datos devueltos por el KIT.
2. Módulo de visualización: muestra en pantalla en paneles gráfico y analógico los valores de las variables cada vez que son leídos del puerto serie.
3. Módulo de generación del fichero texto: guarda en un fichero texto los valores de la medición con fecha y hora de realización; cada línea del fichero texto tiene el formato:
<Fecha> <TAB> <Hora> <TAB> <Velocidad del
Viento> <TAB> <Dirección del Viento> <CR>
4. Módulo de cálculo: realiza los siguientes cálculos y procesamientos estadísticos hasta el momento de la medición:
o Velocidad del viento: valores mínimo, máximo y promedio.
o Dirección del viento: dirección predominante y velocidad del viento en la misma; minutos en cada dirección del viento y minutos de calma.

Bloque de las fuentes de bajo voltaje

Contiene las fuentes que alimentan la electrónica del dispositivo. Los circuitos digitales y analógicos se alimentan independientemente, para proteger las señales portadoras de la información de la contaminación con ruidos
indeseados producto de los transientes y cambios de estado lógico.

Las fuentes se construyeron con los reguladores de voltaje 7805 y 7905 protegidos contra el corto circuito. Los reguladores se alimentan desde transformadores sellados, a través de rectificadores de onda completa. Un filtro de línea que ofrece gran resistencia a las perturbaciones de la línea comercial protege la entrada del bloque. Cada fuente incorpora un led testigo para evaluar con rapidez su estado.

RESULTADOS

El fichero de texto generado (figura 5c), es el resultado de las mediciones realizadas en fecha y hora indicadas y muestra el comportamiento de las magnitudes de interés en ese momento. La disponibilidad de esta información es inmediata y permite dar seguimiento en tiempo real a las variables, también facilita el análisis y estudio de la correlación entre ellas y otras según los intereses de la RNVRA.

A continuación se ofrecen los datos reflejados en la figura 5c.

24/04/03 05:50 p.m. 5,473145 Sur Sureste
24/04/03 05:50 p.m. 8,600656 Sur Sureste
24/04/03 05:51 p.m. 3,127511 Sureste
24/04/03 05:51 p.m. 2,345633 Sur
24/04/03 05:51 p.m. 3,127511 Sureste
24/04/03 05:51 p.m. 5,473145 Sur
24/04/03 05:52 p.m. 6,255022 Sureste
24/04/03 05:52 p.m. 4,691267 Sur
24/04/03 05:52 p.m. 3,127511 Sur Sureste
24/04/03 05:53 p.m. 5,473145 Sur
24/04/03 05:53 p.m. 6,255022 Sureste.
24/04/03 05:53 p.m. 6,255022 Sureste
24/04/03 05:53 p.m. 2,345633 Sur Sureste
24/04/03 05:54 p.m. 3,127511 Sur Sureste
24/04/03 05:54 p.m. 1,563756 Sur Sureste
24/04/03 05:54 p.m. 3,127511 Sur

CONCLUSIONES

Se diseñó y construyó un dispositivo que adquiere en. tiempo real las magnitudes de dos variables meteorológicas de interés para la RNVRA.

Se automatizó por primera vez en la RNVRA la adquisic:ón y el registro de la información de la velocidad y dirección del viento para su posterior procesamiento y análisis, ello permite disponer de esta información en formato digital para facilitar su almacenamiento, el estudio de la interrelación entre estas variables con otros indicadores radiológicos objeto de monitoreo.

BIBLIOGRAFíA CONSULTADA

[1] Manual de Instrumentos para el Observador Meteorológico. Instituto de Meteorología Departamento de Instrumentos, 1988.
[2] Sitio Web de Circuit Cellar, The Magazine for computer applications. http://www.circuitcellar.com. Issue September 2000. Última consulta, marzo 2003.
[3] SIEMENS. Microcomputer Components. 8-Bit CMOS Single-Chip Microcontroller. SAB 80C515/SAB 80C535.
Data Sheet 02.96.
[4] MOTOROLA. Schmitt triggers dual gate/Hex inverter. SN54/74S13, SN54/74LS14, Data sheet. [5] SGS-Thomson Microelectronics. Low power quad operational amplifiers. LM324. Data sheet. 1997.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] DOMíNGUEZ O, KALBERT O, et. al. Automatización de la medición de la tasa de dosis gamma ambiental y de variables meteorológicas que la condicionan. Cuba. Memorias del X Taller de la Cátedra de Medio Ambiente. Julio 2004.
[2] DOMíNGUEZ O, KALBERT O, et. al. Republic of Cuba Environmental Radiological Surveillance System Further
Development and Automation. Memorias del Evento 4th International Symposium on Nuclear and Related Techniques. La Habana, Cuba, octubre 2003. ISBN 959-7136-21-X.
[3] The Art of Electronics. Paul Horowitz Winfield Hill. Second Edition.
[4] LARREA PJ, HERNÁNDEZ L, et. al. El LD-02d: Una variante de densitómetro láser automático. Memorias del
Evento Internacional TECNOLASER'2003. La Habana, Cuba, Julio 2003. ISSN-1607-6281.

ledo@ceaden.edu.cu, orlando@cphr.edu.cu