Resumen – El objetivo del proyecto es demostrar la influencia del viento y la temperatura del medio en la velocidad de transmisión de las ondas ultrasónicas, y aprovechar este efecto para desarrollar un anemómetro y termómetro. Los parámetros medidos son presentados en forma análoga y digital. Adicionalmente son almacenados en forma periódica. La configuración, monitoreo y descarga de datos es realizada a través de la interfaz serial RS-232. El sistema es controlado por el procesador de señales dsPIC30F3011, el cual produce una señal de 40KHz necesaria para la generación de la onda ultrasónicas, y permite medir el tiempo de vuelo de la señal mediante el conversor A/D integrado y un comparador externo. El sistema cuenta con cuatro transductores orientados en los ejes Norte-Sur y Este-Oeste. El tiempo de vuelo es medido en las cuatro direcciones posibles, con el fin de calcular la velocidad y la temperatura en cada uno de los ejes, a través de los algoritmos de la inversa de los tiempos de vuelo.

Con las velocidades en cada eje se realiza una suma vectorial para determinar la dirección y velocidad total del viento. La temperatura se obtiene del promedio de las temperaturas medidas en cada eje.

Índices – Anemómetro, Sensores Ultrasónicos, DSPIC30F3011, Temperatura.

I. FUNDAMENTOS BASICOS El viento en la atmósfera es una magnitud vectorial, considerada en términos de tres componentes, ubicándose dos de ellos en un plano paralelo a la superficie de la Tierra, y el tercero perpendicular a ese plano. Con fines meteorológicos la componente vertical es despreciada, considerándose por lo tanto el viento en superficie como una cantidad vectorial en dos dimensiones. La medición de la velocidad del viento utilizando señales de ultrasonido se basa en la influencia del campo de las

Este trabajo fue realizado con el apoyo del Instituto Nacional de Meteorología de Quito-Ecuador

A. Flores, (e-mail: alexas00@hotmail.com). D. Meneses, (e-mail: menescos1@hotmail.com) N. Sotomayor, es Profesor Principal T/C en la Facultad de Ingeniería

Eléctrica y Electrónica de La Escuela Politécnica Nacional, Quito-Ecuador, (e-mail: nelson.sotomayor@epn.edu.ec).

velocidades de un fluido sobre una señal generada desde un transmisor hacia un receptor.

Fig. 1. Esquema básico de medición

Considerando una onda acústica monocromática que se transmite de forma que su amplitud y dirección de propagación varían muy poco a lo largo de distancias del orden de la longitud de onda, es posible ignorar la naturaleza ondulatoria del sonido y considerar que su transmisión es a lo largo de líneas, llamados rayos, cuyas tangentes en cada punto tienen la misma dirección de propagación que el frente de onda. Por lo que es posible aplicar el concepto de velocidades relativas para la velocidad de transmisión del sonido y la velocidad del viento. De allí se obtiene las expresiones:

11 t

lvcv w =+= (1)

22 t

lvcv w =−= (2)

Resolviendo se tiene:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −=

21

11

2 ttlvw (3)

Donde: c es la velocidad del sonido en [m/s]

Diseño y construcción de un sistema de medición de temperatura ambiental, velocidad y

dirección del viento en base a sensores ultrasónicos

Ing. Alexandra Flores, Ing. Diego Meneses, Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología; Nelson Sotomayor, MSc., Escuela Politécnica Nacional (EPN), Quito - Ecuador

1v es la velocidad de la onda ultrasónica en una dirección en [m/s]

2v es la velocidad de la onda ultrasónica en la dirección contraria en [m/s] l es la distancia en el eje entre los sensores en [m]

wv es la velocidad del viento paralelo al eje en [m/s]

1t es el tiempo que tarda la señal en viajar del transmisor x1 a x2 en [s]

2t es el tiempo que tarda la señal en viajar del transmisor de x2 a x1 en [s] De igual forma la velocidad isoentrópica del sonido en un gas (aire) depende de la temperatura, humedad, presión y densidad del mismo. Sin embargo se pueden despreciar ciertos parámetros que no la afectan considerablemente. La relación fundamental entre la velocidad de transmisión del ultrasonido y la temperatura del aire está dada por la relación:

Tc 055.20= (4)

Donde: T es la temperatura del gas (aire) en [ºK] La velocidad del ultrasonido puede ser encontrada con la suma de los inversos de los tiempos de vuelo. Sumando las ecuaciones (1) y (2) se puede obtener:

212

tl

tlc += (5)

Reemplazando c de (4) en (5) se puede encontrar finalmente la temperatura:

22

21

11

1608⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +=

ttlT (6)

II. DISEÑO DEL PROTOTIPO El esquema general del prototipo se muestra en la figura:

Fig. 2. Diagrama de bloques del sistema.

A. Diseño Mecánico Los transductores ultrasónicos y el circuito electrónico son montados en una estructura metálica de acero inoxidable. La distancia que se mantiene entre los transductores es de 20 cm para obtener un tiempo de vuelo de sµ582 cuando la velocidad del viento es 0 m/s a 20ºC. Cada soporte está colocado a 15cm del nivel más alto de la estructura para asegurar que la misma no interfiera en el haz ultrasónico. Los soportes se colocaron a 90 grados entre ellos con la finalidad de formar un plano cartesiano que facilite el cálculo del módulo de la velocidad y su dirección.

Fig. 3. Estructura mecánica.

B. Acondicionamiento De La Señal

El prototipo cuenta con cuatro transductores ultrasónicos orientados en dos ejes: Norte-Sur y Este-Oeste Como los sensores funcionan tanto como transmisores o receptores, se utiliza el switch análogo CD4052BP para conmutar a los transductores y hacerlos funcionar como transmisores enviándoles una onda cuadrada, o como receptores enviando su señal a un amplificador. El switch es manejado por el microcontrolador para la selección (canal en baja impedancia) o inhibición (canal en muy alta impedancia) de los pines de los transductores.

Fig. 4. Esquema de posición de los traductores.

1) Transmisión La señal generada a través del módulo OC (Ouput Compare) del microcontrolador es una onda cuadrada periódica de cuatro ciclos que es enviada a cada transductor por turnos hasta completar un ciclo de medida en los dos ejes y en las dos direcciones por eje.

Fig. 5. Forma de onda generada.

2) Recepción

La señal recibida es una onda de 40Khz de amplitud variable, como se muestra en la Fig. 6:

Fig. 6. Forma de onda señal ultrasónica

Se utiliza un amplificador de dos etapas para acondicionar la señal sinusoidal que entrega el receptor ultrasónico, que es de aproximadamente unos 20 a 30mV p-p. La señal amplificada tiene una amplitud de 4 a 6Vp-p, que posteriormente ingresa a una etapa de filtrado. Se construyó un filtro activo pasa banda de frecuencia central 40Khz y factor de calidad Q=10. La señal filtrada se envía al CAD del microcontrolador para digitalizar la onda con una resolución de 4.9mV y tomar aproximadamente 25 muestras por ciclo. Con los valores obtenidos se puede determinar el inicio de la onda y el número del ciclo en el que se encuentra la conversión de la señal ultrasónica. La señal filtrada a su vez se compara con una referencia, cuando la señal es mayor a 3.3V el comparador entrega a su salida un voltaje de 5V (1 lógico), en caso contrario se obtiene 0V (0 lógico). Este comparador permite determinar por lo tanto el inicio de cada ciclo de la onda. La salida del operacional se ingresa a un puerto del microcontrolador configurado como interrupción externa. El microcontrolador determina el tiempo de vuelo de la onda deteniendo un temporizador que empieza su cuenta cuando se envía la onda cuadrada y detiene cuando se detecta el tercer ciclo de la onda con su respectivo cruce por la referencia.

Fig. 7. Esquema de acondicionamiento

Fig. 8. Tratamiento de la señal ultrasónica.

C. Almacenamiento de Datos El anemómetro cuenta en su interior con un banco de memorias no volátiles de tipo EEPROM para almacenar los datos periódicamente. Se utilizan cuatro memorias 24LC1025 que poseen comunicación I2C en modo esclavo para la lectura y/o escritura de sus registros. Tienen capacidad de almacenar

128Kb x 8 (1024Kbits) con un millón de ciclos lectura-escritura. Los valores de la medición son almacenados conjuntamente con fecha y hora para lo cual se consulta el reloj en tiempo real RTC DS1307 que utiliza igualmente comunicación I2C. Los datos de velocidad y dirección del viento junto con temperatura, fecha y hora son almacenados en un espacio de memoria de 8 bytes. D. Conversores Digital-Análogos Se utilizan los conversores digital-análogo MCP4921 para permitir que el anemómetro ultrasónico envié la información de velocidad, dirección y temperatura instantánea al datalogger de una estación meteorológica automática. Los datos calculados por el microcontrolador son enviados a las DAC mediante el protocolo de comunicación SPI, las cuales entregan a su salida un valor de voltaje proporcional al de la variable que representan. E. HMI La interfaz fue desarrollada en LabVIEW 6.1 y permite realizar la configuración, monitoreo y descarga de datos. En la configuración se puede establecer la fecha, hora, el puerto serial, el periodo de almacenamiento y el periodo de muestreo del sensor. En el monitoreo se puede verificar el funcionamiento del sensor en tiempo real; y en la descarga de datos es posible recoger los datos guardados en las memorias para su posterior análisis en la PC.

Fig. 9. Interfaz de configuración

Fig. 10. Interfaz de monitoreo

Fig. 11. Interfaz de descarga de datos

III. PRUEBAS Y RESULTADOS Se realizaron algunas pruebas para analizar el comportamiento del sistema en diversas condiciones. a) Para estimar la exactitud y precisión del equipo se lo comparó con el sensor comercial WXT510 en el túnel de viento del laboratorio de fluidos de la Facultad de Mecánica de la EPN. Los resultados se muestran a continuación:

Fig. 12. Resultados obtenidos WXT510 y el Prototipo (velocidad ascendente)

Fig. 13. Resultados obtenidos WXT510 y el Prototipo (velocidad descendente)

En el mismo túnel de viento, girando al sensor en pasos de 30º se obtuvieron los siguientes resultados:

DIRECCION [ ° ]

0

50

100

150

200

250

300

350

14:0

3:46

14:0

4:41

14:0

5:00

14:0

5:18

14:0

5:33

14:0

5:55

14:0

6:14

14:0

6:29

14:0

6:44

14:0

7:00

14:0

7:24

14:0

7:53

14:0

8:09

14:0

8:26

14:0

8:43

14:0

9:30

14:0

9:48

14:1

0:03

14:1

0:18

14:1

0:36

14:1

0:51

14:1

1:30

Fig. 14. Resultados obtenidos Prototipo (dirección)

Para la temperatura se sometió al sensor a un ambiente controlado en un rango de 1 a 20 ºC, los resultados comparados con los del sensor comercial ERTCO 4400 se muestran en la Fig. 15.

Fig. 15. Resultados obtenidos WXT510 y el Prototipo

De cada una de las pruebas se obtuvo la desviación estándar y el error absoluto, pudiéndose estimar la precisión y exactitud del sistema.

TABLA I ESPECIFICACIONES GENERALES DEL PROTOTIPO

Rango de medida

0 a 25 [m/s]

Precisión ± 0.3 [m/s] (de 0a 20m/s)

Resolución 0.1 [m/s]

Velocidad del viento

Unidades [m/s]; [km/h]; [mill/h]

Rango de medida

0 a 359°

Precisión ± 3° Resolución 1°

Dirección del viento

Unidades [grados] Rango de medida

0 a 50 [°C]

Precisión ± 0.25 [°C] (de 6 a 21ºC)

Resolución 0.1 [°C]

Temperatura ambiente

Unidades [°C]; [°F]

b) Se colocó el prototipo en la intemperie por un periodo de 48 horas en las instalaciones del INAMHI, comparando su respuesta con el sensor WXT510 y el anemómetro de cazoletas WMS302. Los resultados se muestran a continuación:

Magnitud y direccion del viento [m/s]

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

Fig. 16. Respuesta Prototipo Magnitud y direccion del viento [m/s]

-5,0

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

-5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Fig. 17. Respuesta WMS320

Magnitud y direccion del viento [m/s]

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

Fig. 18. Respuesta WXT510

A continuación se muestran los datos medidos para temperatura:

TEMPERATURA[oC]

5

7

9

11

13

15

17

19

21

23

25

0:00

2:10

4:19

6:29

8:38

10:4

7

12:5

6

15:0

5

17:1

4

19:2

4

21:3

3

23:4

3

1:52

4:01

6:11

8:20

10:2

9

12:3

8

14:4

8

16:5

7

19:0

6

21:1

5

23:2

5

23/05/09 24/05/09

PrototipoWXT510

Fig. 19. Respuesta temperatura

Fig.20. Prototipo de sistema de medición de temperatura ambiental, velocidad, y dirección del viento

IV. CONCLUSIONES Las características de la señal ultrasónica como amplitud variable, relación de crecimiento y decrecimiento inconstante y bajo rango de voltaje, hacen que la señal sea susceptible a

ruido provocado por factores externos. Por lo que es necesario implementar un mecanismo de validación de los datos obtenidos con el fin de evitar mediciones y cálculos erróneos. Para aplacar estos efectos es de utilidad utilizar elementos de rápida conmutación y bajo ruido. La distancia entre dos transductores debe ser exacta e idéntica en los dos ejes de medida para evitar errores en el cálculo. Además la estructura debe asegurar estabilidad, debido a que un mínimo cambio en la distancia de los traductores cambia considerablemente el tiempo de vuelo de la señal. Los dataloggers utilizados en meteorología disponen de varios canales análogos y digitales. Es importante que el sistema diseñado sea compatible con estos equipos por lo que se usaron conversores D/A que permiten tener salidas estandarizadas de 0-5V adecuadas para la conexión a cualquier datalogger comercial. El banco de memorias interno actúa como sistema de respaldo cuando el datologger no se encuentra en funcionamiento, además permite darle cierta autonomía al sistema en caso de ser necesario. Los procesadores digitales de señal poseen mayores recursos que los microcontroladores comunes. Su ventaja principal se encuentra en la velocidad de procesamiento, que permite tratar señales como el ultrasonido. En el proyecto presente esto es fundamental ya que permite tener una resolución en el tiempo de vuelo de 33.92 ns. La variabilidad de la señal ultrasónica hace difícil determinar su recepción desde el primer ciclo. Por lo que para establecer el tiempo de llegada, la señal se detecta cuando sobrepasa por primera vez un cierto nivel de amplitud, que indica el arribo del tercer ciclo de la señal. Para el cálculo de la velocidad y dirección, se resta un tiempo de compensación preestablecido a los tiempos medidos.

V. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen la colaboración prestada en el

desarrollo de este proyecto al Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología así como al Laboratorio de Fluidos de la Facultad de Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional.

VI. REFERENCIAS [1] RAYMOND A. SERWAY, JERRY S. FAUGHN, CLEMENT J. MOSES, “Fisica”, 2005, Sexta Edición. [2] RICHARD FEYMAN, “Física”, Volumen 1, 1987, Tercera Edición. [3] ROBERT F. COUGHLIN, FREDERICK F. DRISCOLL, “Amplificadores operacionales y circuitos integrados lineales”, 1999, Quinta edición. [4] ORGANIZACIÓN MUNDIAL DE METEOROLOGÍA, “Compendio de apuntes sobre instrumentos Meteorológicos”, Nº 622, 2007, página 203 [5] SERGIO GWIRC, FERNANDO FERDEGHINI, AGATA COMASTRI, DANIEL LUPI, “Sensores Ultrasónicos: Respuesta A Distintas Formas De

Onda De Emisión”, Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI)-Argentina, [6] DANIEL O. LUPI, DIEGO J. BRENGI Y ANDRÉS TRAPANOTTO, “Sensor de temperatura ambiental por Ultrasonido”, Instituto Nacional de Tecnología Industrial, 2007, http://utic.inti.gov.ar/proyectos/setepus/index.html [7] SEBASTIÁN N. FRANCHINI, “Fuentes de Incertidumbre en Anemometría Sonica”, Tesis Doctoral, Universidad Politécnica de Madrid, 2006.

VII. BIOGRAFÍAS

Alexandra Flores , nació en Quito el 3 de Junio de 1985. Realizó sus estudio secundarios en el Colegio Nacional de Señoritas Hipatia Cárdenas de Bustamante obteniendo el título de Bachiller en ciencias Especialidad Físico Matemático y Auxiliar Técnico en Electrónica, graduándose como mejor egresada promoción 2003. Recibió su título de Ingeniera Electrónica con especialización en Control en la Escuela

Politécnica Nacional en el 2009. Áreas de interés: Instrumentación, microprocesadores, y control industrial. (alexas00@hotmail.com)

Diego Meneses, nació en Riobamba el 26 de Agosto de 1985. Realizó sus estudios secundarios en la Unidad Educativa San Felipe Neri y en el Instituto Tecnológico Superior Carlos Cisneros, obteniendo los títulos de Bachiller en ciencias Especialización Físico Matemático y Bachiller Técnico especialización Electrónica. Obtuvo su título de Ingeniero en Electrónica y Control en la Escuela Politécnica Nacional en el 2009.

Áreas de interés: Instrumentación, microprocesadores y control industrial, idiomas. (menescos1@hotmail.com)

Nelson Sotomayor, nació en Quito-Ecuador el 9 de Septiembre de 1971. Realizó sus estudios secundarios en el Instituto Nacional Mejía. Se graduó en la Escuela Politécnica Nacional como Ingeniero en Electrónica y Control en 1999. Obtuvo su título de Magíster en Ingeniería industrial en junio del 2006. Participó en el Cuarto Curso Internacional de Robótica Aplicada (IV CIRA) en el Centro Nacional de

Actualización Docente ubicado en México DF en septiembre del 2008. Actualmente desempeña el cargo de Profesor Principal T/C en el Departamento de Automatización y Control Industrial de la Escuela Politécnica Nacional. Además es miembro de la subcomisión académica permanente de la Carrera de Ingeniería en Electrónica y Control. Áreas de interés: robótica móvil, informática y redes, microcontroladores, automatización y control industrial. (nelson.sotomayor@epn.edu.ec)