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