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Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Ingeniería Eléctrica
Valparaíso, Chile
Diseño y construcción de un sensor de campo
eléctrico estático para la medición de campo
eléctrico ambiental
Javier Andrés Leyton Benz
Memoria de titulación
para optar al título de
Ingeniero Electricista
Johny Montaña
Jorge Ardila
Marzo 2021
Diseño y construcción de un sensor de campo
eléctrico estático para la medición de campo
eléctrico ambiental
Javier Andrés Leyton Benz
Johny Montaña
Jorge Ardila
Daniel Aranguren
Marzo 2021
AGRADECIMIENTOS
Primero a mi familia por el apoyo incondicional en estos largos años llenos de grandes cambios. A mis hermanos por su invaluable apoyo, a mi madre por su incesante interés y
aliento en mi vida personal y logros académicos, a mi padre por todos los mensajes de aliento, apoyo, consejos y perspectiva que alimentaron mis ganas y convicción de salir adelante pese a
los contratiempos.
A los profesores y funcionarios del departamento de electricidad, especialmente al profesor Johny Montaña por el apoyo, consejos y guía estos años de trabajo, junto a los años de
formación en sus ramos. Al profesor Javier Ríos y Pablo Lezana por la gran formación técnica recibida por mi en los primeros años de carrera. Y por último al profesor Gastón Agüero
(Q.E.P.D) quien fue mi primer jefe en la universidad, trabajando para el en mis 6 años de ayudantía y coordinación de ayudantes de FIS120.
A mis compañeros de carrera por los años compartidos, torneos dioses del olimpo,
intercarreras, etc. Agradecimientos especiales a Alejandro Godoy, Marcelo Clemente, Sergio Arredondo por la compañía cercana y ramos aprobados juntos.
Amigos de la vida y juegos Christian, Fede, Andrés, Mathi, Camila, Tamara por estar siempre.
A mi club de kendo y compañeros de práctica, por la compañía, apoyo, entrenamientos y crecimiento personal que tuve desde 2014, varios títulos y por campeonato nacional
conseguido 2019. Gracias Fabrizio y Lautaro por las enseñanzas en el dojo.
A mi polola Nadia que llegó a iluminar el camino hacia adelante, brindar apoyo, ayuda y mucho amor a mi vida.
Un agradecimiento especial para mi tío Luis Pimentel todo el trabajo de construcción, compra de materiales, ensamble, montaje junto con asesoría, enseñanzas en cuanto al manejo de
herramientas y manipulación de materiales y buenos momentos y risas compartidos durante la construcción de los equipos desarrollados.
1
ÍNDICE DE CONTENIDOS Índice de figuras…………………………………………………………………………………………..3
Índice de tablas…………………………………………………………………………………………...5
Resumen…………………………………………………………………………………………………..6
Abstract…………………………………………………………………………………………………….7
Glosario……………………………………………………………………………………………………8
Capítulo 1 : Introducción y Objetivos .......................................................................................... 9
Capítulo 2 : Estado del arte y teoría de medición de campo eléctrico estático ..........................12
2.1 Estructura eléctrica de las nubes .....................................................................................12
2.2 Primeros sensores de Campo Eléctrico y Principios de funcionamiento ..........................14
2.2.1 Electrómetro universal portátil (Wilson 1905) ............................................................14
2.2.2 Máquina de campo eléctrico llevada por globo. Winn y Byerley (1975) .....................15
2.2.3 Medición de campo eléctrico para seguimiento de tormentas eléctricas. ..................17
2.2.3 Tensión en una Antena de placa metálica .................................................................18
2.2.4 Principio aplicado a Máquinas de Campo eléctrico. ..................................................20
2.3 Máquinas de campo Eléctrico (MCE ó EFM) ...................................................................21
2.3.1 Molino de Campo Eléctrico MCE-UN (2006) .............................................................23
2.3.2 Atmospheric Electric Field Monitor EFM-100 (Boltek) / GEO-EFM-100 (Geónica) .....25
2.3.3 Thunderstorm Electric Field Mill EFM 550, VAISALA. ...............................................26
2.4 Micromachined Electric Field Mill (MEFM) .......................................................................28
2.4.1 MEFMs de apantallamiento vertical...........................................................................29
2.5 Modelamiento de centros de cargas y algoritmos de localización. ...................................32
2.5.1 Modelo de Carga Puntual ..........................................................................................33
2.5.2 Modelo Dipolo ...........................................................................................................34
2.5.3 Mínimos Cuadrados ..................................................................................................34
2.5.4 Time of Arrival, Tiempo de llegada. ...........................................................................35
Capítulo 3 : Diseño y construcción de molino de campo eléctrico .............................................37
3.1 Primer diseño de sensor, MCE de conmutación electrónica. ...........................................37
3.1.1 Motivación y funcionamiento .....................................................................................37
3.1.2 Componentes del sensor prototipo ............................................................................38
3.1.3 Mediciones de prueba ...............................................................................................40
3.2 Molino de campo “UTFSM2” ............................................................................................42
3.2.1 Construcción y funcionamiento .................................................................................42
3.2.2 Hélice y placas receptoras ........................................................................................43
2
3.2.3 Motor .........................................................................................................................46
3.2.4 Estructura Base ........................................................................................................46
3.2.5 Prueba preliminar con campo eléctrico continuo de baja magnitud ...........................47
Capítulo 4 : Metodología y Guía para calibración del equipo.....................................................51
4.1 Guía de Calibración para molino de campo eléctrico UTFSM ..........................................51
4.1.1 Descripción del método de calibración y condiciones ................................................51
4.1.2 Estructura de calibración: ..........................................................................................52
4.2 Procedimiento de Calibración ..........................................................................................55
4.3 Factores de corrección ....................................................................................................56
4.3.1 Carcasa y/o Ventanas ...............................................................................................56
4.3.2 Elementos de instalación y edificación ......................................................................57
Capítulo 5 : Redes de detección de tormentas y rayos. ............................................................58
5.1 Redes de Detección basadas en molinos de campo .......................................................58
5.2 Red de molinos KSC/CCAFS, Florida, Estados Unidos. ..................................................58
5.2.1 Descripción ...............................................................................................................58
5.2.2 Sistema de detección de rayos. ................................................................................60
5.2.3 Alarma frente a alta probabilidad de Descargas Atmosféricas ...................................62
5.3 Red de molinos LINET en Navarra, España ....................................................................63
5.4 Redes en Colombia .........................................................................................................64
5.4.1 Red de molinos de Bogotá ........................................................................................64
5.5 Estudios de interés en base a datos de redes Bogotá y Navarra. ....................................66
5.6 Red de Campo Grande, Mato Grosso do Sul, Brasil. .......................................................68
Capítulo 6 Conclusiones ...........................................................................................................70
Referencias ...............................................................................................................................73
Anexos ......................................................................................................................................77
Anexo A: Formación y electrificación de las nubes de tormenta ............................................77
Anexo B: El Campo Eléctrico .................................................................................................80
Anexo C: Ficha técnica motor utilizado ..................................................................................83
Anexo D: Guía de montaje para estructura de calibración .....................................................84
3
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1: Cumulonimbus en vista aérea [11]. (Foto por Terry O’Leary, Playa de Virginia USA, 2003) ................... 12 Figura 2.2: Ejemplo de estructura para nube de tormenta con LPCC y su campo eléctrico asociado [9]. ................. 13 Figura 2.3: Esquema Electrómetro Universal [9]. ............................................................................................................................. 14 Figura 2.4: Esquema EFM llevada por globo. [13] (modificada) ................................................................................................ 15 Figura 2.5: Esquema disco levantado de tierra sujeto a campo eléctrico E [15]. ................................................................. 18 Figura 2.6: Esquema de los distintos instantes de apantallamiento [9]. .................................................................................. 20 Figura 2.7: Principio de funcionamiento EFM [16]. ......................................................................................................................... 21 Figura 2.8: Ejemplo de un registro de campo eléctrico hecho por un molino de campo en KSC en 1978 [17]. ........ 22 Figura 2.9: Esquema de construcción MCE-UN e instalación en terreno [9]. ......................................................................... 24 Figura 2.10: Señal entregada por MCE-UN frente a campo eléctrico de polaridad positiva [9]. ................................... 24 Figura 2.11: Sensor EFM-100. Diagrama de bloques para medición, amplificación y procesamiento de señal de
tensión [20]. ...................................................................................................................................................................................................... 25 Figura 2.12: Instalación invertida en suelo GEO-EFM-100 [20]. ................................................................................................. 26 Figura 2.13: Dimensiones de instalado EFM550 [21]. ..................................................................................................................... 27 Figura 2.14: MEFM con electrodos bloqueados del campo y MEFM con electrodos descubiertos [25]. ...................... 28 Figura 2.15: Componentes y parámetros de interés para MEFM [25]. ..................................................................................... 28 Figura 2.16: Resultados experimentales con MEFM [27]. .............................................................................................................. 29 Figura 2.17: Esquema de MEFM de membrana con medición vía Láser [24]. ....................................................................... 30 Figura 2.18: Esquema de MEFM de membrana con medición capacitiva [24]...................................................................... 30 Figura 2.19: Esquema de movimiento para el obturador y diseño del sensor con actuador térmico [26]. ................ 31 Figura 2.20: (a) ubicación de 3 puntos de referencia para ToA. (b) determinación de la primera circunferencia.
[28] (modificado) ........................................................................................................................................................................................... 36 Figura 2.21: Triangulación mediante ToA terminada, localización de punto objetivo. [28] (modificado) ............... 36 Figura 3.1: Placas de cobre montadas en acrílico. ............................................................................................................................ 37 Figura 3.2: Esquema de circuito LM555 en configuración Monoestable. ................................................................................ 38 Figura 3.3: Señal de salida LM555. ......................................................................................................................................................... 38 Figura 3.4: Esquema de componentes electrónicos en cascada. .................................................................................................. 39 Figura 3.5: Circuitos electrónicos utilizados para la primera versión del sensor. ............................................................... 39 Figura 3.6: Señal obtenida en prueba con campo eléctrico continuo, tensión de 300[V] CC (Con amplificadores).
............................................................................................................................................................................................................................... 40 Figura 3.7: Señal obtenida en prueba a 300[V] CC (Sin conjunto amplificador/filtros). .................................................. 40 Figura 3.8: Molino de campo eléctrico UTFSM2 ensamblado. ..................................................................................................... 42 Figura 3.9: Izquierda, Hélice apantalladora previo montaje. Derecha, placas receptoras previo al montaje. ........ 43 Figura 3.10: Hélice y receptores montados. (a) Apantallamiento total. (b) Apantallamiento parcial. ....................... 45 Figura 3.11: Receptores expuestos (100% del campo recibido en receptores). .................................................................... 45 Figura 3.12: Motor impulsor montado en estructura base. .......................................................................................................... 46 Figura 3.13: Vista de perfil, estructura base. ...................................................................................................................................... 47 Figura 3.14: Izquierda: Señal para disco de cobre alejado. Derecha: Señal frente al acercamiento del disco de
cobre. ................................................................................................................................................................................................................... 48 Figura 3.15: Regla cargada alejada del sensor. ................................................................................................................................. 48 Figura 3.16: Formas de onda en diferentes instantes de tiempo, regla cargada cerca del molino de campo. .......... 49 Figura 4.1: Estructura de calibración con placas de aluminio montadas. .............................................................................. 54 Figura 4.2: Montaje completo de estructura de calibración, con motor Molino UTFSM2 encendido. ......................... 54 Figura 5.1: Ubicación de los sitios de instalación para molinos de campo en KSC 1978 [21]. ........................................ 59 Figura 5.2: Esquema de Red de molinos de campo al año 2000. Actualización de ubicación al año 2014 [8][32]. 59
4
Figura 5.3: Registros de campo eléctrico frente a una gran tormenta eléctrica los días 16 y 17 de junio, 1975
[38]. ...................................................................................................................................................................................................................... 60 Figura 5.4: Equipos ABFGM utilizados en red de detección KSC [33]. ....................................................................................... 61 Figura 5.5: Mapa de red en Navarra e instalación de molino de campo en muro [18]. ..................................................... 63 Figura 5.6: Red de molinos de Bogotá, en rojo: Área de operación de red [9]. ...................................................................... 64 Figura 5.7: Instalación de molinos en red de Bogotá. Estaciones Fontibón, Usaquén y Universidad Nacional [9]. 65 Figura 5.8: Comparación de criterios de generación de alarmas por umbral de campo y cambio de polaridad
[18]. ...................................................................................................................................................................................................................... 66 Figura 5.9: Distribución de molinos de campo para red de Campo Grande [30]. ................................................................. 68 Figura 5.10: Gráfico de campo eléctrico durante tormenta en Campo Grande 22 octubre 2013 [30]. ....................... 69 Figura A.1: Esquema de nube en etapa de Cúmulo, flechas amarillas: Corriente de aire cálido [37]. ......................... 77 Figura A.2: Esquema de nube en maduración (Altura 12,2[km]). Línea azul: frente de aire frío [37]. ....................... 77 Figura A.3: Esquema de nube en disipación [37]. .............................................................................................................................. 78 Figura A.4: Electrificación de una nube de tormenta en el tiempo [9]. .................................................................................... 78 Figura B.1: Esquema de líneas de campo saliendo de la carga (positiva) y entrando a ella (negativa) [38]……….80
Figura B.2: Aplicación de un volumen de prueba (superficie Gaussiana) a una placa cargada [39] ……………...……81
Figura C.1: Ficha técnica motor EBM………………………………………………………………………………………………………….……83
5
ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1: Parámetros EFM llevada por globo. A partir de [24] _____________________________________________________ 16 Tabla 2.2: Características técnicas MCE-UN, D. Aranguren. Hecha en base a [9]. __________________________________ 23 Tabla 2.3: Detalles técnicos EFM550 [33]. ____________________________________________________________________________ 27 Tabla 2.4: Parámetros de interés para construcción de MEFM [29] _________________________________________________ 29 Tabla 2.5: Dimensiones para conjunto de sensor y obturador de acción térmica [30]. _____________________________ 32 Tabla 3.1: Dimensiones sensor UTFSM2 ______________________________________________________________________________ 42 Tabla 3.2: (a) Dimensiones Hélice. (b) Dimensiones Receptores. ____________________________________________________ 43 Tabla 3.3: Dimensiones estructura de calibración. ___________________________________________________________________ 47 Tabla 4.1: Dimensiones de estructura de calibración. ________________________________________________________________ 53 Tabla 5.1: Parámetros de molinos de campo en red Navarra [26] . _________________________________________________ 63 Tabla 5.2: Separación aproximada entre estaciones (medición a escala) ___________________________________________ 65 Tabla 5.3: Niveles de peligrosidad para tormentas [36]. _____________________________________________________________ 69
6
RESUMEN
La medición de campo eléctrico atmosférico ha probado ser la manera más adecuada para la detección y seguimiento del fenómeno de tormentas eléctricas, junto a las descargas atmosféricas asociadas. Esto con el fin de lograr alertar su ocurrencia y prevenir accidentes asociados a éstas. En el siguiente trabajo se hace una revisión de distintos diseños de máquinas de medición de campo eléctrico, su evolución, tecnologías emergentes y sensores comerciales. Además, se describe la construcción y funcionamiento de 2 sensores de campo eléctrico, uno totalmente electrónico, que no entregó los resultados esperados; y un sensor convencional basado en la rotación de un motor y apantallamiento de receptores metálicos. Por último, se revisan distintas redes de detección de tormentas y rayos en el mundo como lo son la red de molinos de Kennedy Space Center y red de molinos de Bogotá, Colombia, entre otras.
Keywords: EFM, MEFM, MCE, medición de campo eléctrico, nubes de tormenta, detección de rayos, molinos de campo eléctrico, redes de detección, KSC, LPLWS.
7
ABSTRACT
The measurement of electric field has been the main and suitable way for detection and tracing of the thunderstorm phenomenon and the associated lightning, with the goal of warning and preventing possible accidents from these sources. In the following pages, a revision of many designs and their evolution, new technologies and commercially available sensors is made. The construction of 2 electric field sensors is explored too, the first sensor is a totally electronic driven sensor that did not deliver the expected results. The second sensor is a conventional approach of electric field measurement based on a metallic receptor who is shielded from the electric field by the rotation of metallic plates. A calibration methodology and guide for this instrument is provided. A revision of various lightning and thunderstorm detection networks is made by exploring the KSC electric field mill network and the electric field mill network in Bogotá, Colombia, among others.
Keywords: EFM, MEFM, MCE, Electric field measurement, thundercoulds, lightning detection, electric field mill, lightning detection networks, KSC, LPLWS.
8
GLOSARIO 𝑉 ∶ 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 [𝑉] 𝑉𝑟𝑚𝑠 ∶ 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑑𝑒 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 [𝑉] 𝑉𝑝𝑒𝑎𝑘 ∶ 𝑇𝑒𝑛𝑠𝑖ó𝑛 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 [𝑉]
𝑖 ∶ 𝐶𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 [𝐴] 𝑅 ∶ 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [Ω] 𝑄 ∶ 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 [𝐶] 𝐶 ∶ 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝐹]
�⃗� ∶ 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑚𝑝𝑜 𝐶𝑎𝑚𝑝𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 [𝑉
𝑚] ó [
𝑘𝑉
𝑚]
𝐹 𝑒 ∶ 𝑉𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 [𝑁]
�⃗� ∶ 𝑀𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝐷𝑖𝑝𝑜𝑙𝑎𝑟 [𝐶𝑚]
�⃗⃗� ∶ 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 [𝐶
𝑚2]
𝜎 ∶ 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 [𝐶
𝑚2]
𝐴 ∶ Á𝑟𝑒𝑎 [𝑚2] 𝑡 ∶ 𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 [𝑠] 𝑓 ∶ 𝐹𝑟𝑒𝑐𝑢𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 [𝐻𝑧] 𝑟 ∶ 𝑅𝑎𝑑𝑖𝑜 [𝑚]
𝜀0 ∶ 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑣𝑎𝑐í𝑜 [𝐶2
𝑁𝑚2]
𝜀𝑟 ∶ 𝑃𝑒𝑟𝑚𝑖𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 [– ]
𝑑𝑠 ∶ 𝐷𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 [𝑚2]
𝑐 ∶ 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑢𝑧 [𝑚
𝑠]
𝑘𝑒 ∶ 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐶𝑜𝑢𝑙𝑜𝑚𝑏 [𝑁𝑚2
𝐶2]
𝛷𝑒 ∶ 𝐹𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐸𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 [𝑁𝑚2
𝐶]
9
Capítulo 1 : Introducción y Objetivos
Históricamente en Chile la actividad eléctrica atmosférica no ha sido muy
abundante, sin embargo eventos recientes como la tormentas eléctricas sobre Santiago
los días 11 de Septiembre de 2019 [1], 31 mayo 2020 [2] , Osorno e isla grande de Chiloé
el 2015 [3], Valparaíso y el Biobío el 23 de junio de 2020 [4], Futrono 20 noviembre 2020
[5], y Rapa Nui en diversas ocasiones desde el 2017 hasta la fecha [6], muestran un
aumento en la frecuencia de estas y en la actividad eléctrica en el país. Otro antecedente
de la actividad eléctrica creciente, son reportes por 67 fallas en líneas de transmisión de
Transelec entre los años 2012 y 2017 y el estudio del apantallamiento ante rayos
realizado por F. Lillo [7] referente a esta problemática, trabajo en el cual se generaron
mapas de densidad de rayos y días de tormenta al año.
Es por esto que la implementación de equipos de detección y medición de
actividad eléctrica atmosférica brindarían datos y más herramientas para estudiar los
fenómenos. Avances de este tipo permitirían identificar zonas de alta ocurrencia para
instalar equipos de protección y mejorar las predicciones de estos eventos, entregar
servicios eléctricos más confiables, y por sobre todo, brindar seguridad y proteger vidas
humanas ante eventuales tormentas eléctricas y descargas atmosféricas letales.
La medición de campo eléctrico ambiente es una de las primeras técnicas
utilizadas para el estudio de las nubes de tormenta, evaluando su formación, evolución
y su estructura eléctrica. Si bien es un método antiguo, resulta el más adecuado para el
seguimiento de tormentas. Mediante este tipo de mediciones se han podido caracterizar
la actividad de rayos y tormentas eléctricas en diversas partes del mundo tales como
Colombia, Estados Unidos, Europa y Japón entre otros. Las redes de detección
instaladas en estos países proveen de datos en tiempo real sobre la ubicación de
tormentas eléctricas a diversas instituciones como: universidades para estudios
climatológicos y del fenómeno del rayo y centros de predicción del clima para informar a
la población sobre tormentas cercanas y posibles riesgos. Por ejemplo, el “Kennedy
Space Center” (KSC) en Estados Unidos cuenta con alarmas y protocolos de seguridad
que se activan cuando se alerta de tormentas eléctricas cercanas y/o alta probabilidad
de rayos [8], estas alarmas permiten a los funcionarios buscar resguardo, cesar actividad
e incluso interrumpir despegues hasta que las condiciones vuelvan a ser adecuadas.
10
Los molinos de campo son el tipo clásico de máquina para realizar la medición de campo
eléctrico, han existido diversos modelos que han evolucionado a través de los años,
desde 1905 con el Electrómetro universal portátil por C.T.R Wilson, hasta diseños
actuales en base a dilatación térmica [9]. El diseño de estos equipos es especialmente
versátil, pudiéndose acomodar a las condiciones ambientales, climáticas, distintos
lugares de instalación y ajustar su diseño y materiales de construcción según el
presupuesto. Mientras se realice una calibración adecuada y se ajusten los componentes
electrónicos para tratamiento de señal, las mediciones contarán con una buena precisión
y legibilidad.
Para la calibración de estos equipos es recomendado tener un equipo patrón para
realizar comparaciones, en caso de no tenerlo, se puede calibrar con la metodología que
se desarrollará en los siguientes capítulos, ésta incluye las posibles distorsiones de
campo eléctrico que puedan ocurrir durante la calibración y posterior a la instalación de
las estaciones de medición.
En la primera parte de este trabajo se revisarán los primeros modelos de molinos
de campo para una revisión de sus diseños y principios de funcionamiento, los cuales
sentaron la base para las futuras generaciones de estas máquinas. Se explorarán los
diseños convencionales, así como estudios recientes sobre nuevas tecnologías para el
desarrollo de sensores más pequeños y más precisos.
Algunas aplicaciones de medida de campo eléctrico requieren un funcionamiento
continuo de múltiples sensores dentro de una misma red, lo que se traduce en un alto
consumo de potencia por el motor impulsor de cada sensor, esto incentiva el desarrollo
de alternativas de menor consumo de energía. Se revisarán diseños actuales de molinos
de campo eléctrico comerciales y redes de detección de tormentas en base a molinos,
las cuales han provisto de datos muy valiosos para la caracterización del fenómeno
(modelo eléctrico de nubes, distribución de cargas, magnitud de descargas, diferencias
entre zona tropical y templadas) y ajuste de niveles de riesgo y sistemas de alarma frente
a tormentas.
Se espera que, con los aportes de este trabajo, a futuro se puedan mejorar los
equipos existentes y desarrollar nuevos equipos e instalarlos en distintos lugares de la
región y/o territorio nacional, con el fin de tener una red propia de detección y así poder
realizar la caracterización de tormentas eléctricas a lo largo del país y obtener datos del
fenómeno para estas latitudes. Otras aplicaciones son la implementación de nuevas
medidas de seguridad y alarmas según nivel de peligro en zonas que presenten altos
niveles de actividad eléctrica.
11
Objetivos
• Realizar la revisión bibliográfica y el estado del arte de los equipos empleados
para la medición de campo eléctrico estático.
• Diseñar y construir un sensor de campo eléctrico estático para la medición de
campo eléctrico ambiental.
• Diseñar una metodología y los procedimientos necesarios para la calibración del
sensor de campo eléctrico ambiental.
• Describir constructivamente las redes de molinos de campo eléctrico y estaciones
de medición para la detección de descargas atmosféricas y seguimiento de
tormentas eléctricas.
12
Capítulo 2 : Estado del arte y teoría de medición
de campo eléctrico estático
2.1 Estructura eléctrica de las nubes
El primer paso para la correcta medición de campo eléctrico ambiente es el conocer el
modelo eléctrico y la distribución de cargas dentro de una nube de tormenta [9]. Esto
permite conocer las características de dirección, magnitud y si tiene la propiedad de ser
continuo o alterno.
Las nubes de tormenta corresponden a nubes cumulonimbos (figura 2.1) que adquieren
carga eléctrica durante su formación [10]. En esta, partículas de agua y hielo dentro de
la nube se desplazan hacia arriba y abajo en corrientes de aire cálidas y frías, los roces
y colisiones de estas partículas causan los intercambios eléctricos responsables de dar
la estructura eléctrica a las nubes [10].
Figura 2.1: Cumulonimbus en vista aérea [11]. (Foto por Terry O’Leary, Playa de Virginia USA, 2003)
Las cargas dentro de la nube se concentran en dos regiones, en la parte superior de la
nube se concentran cargas positivas y en la parte inferior de esta se concentran cargas
negativas [9]. Sin embargo, en algunas nubes existe una pequeña región adicional
denominada LPCC (“Low positive charge center”) ubicada en la base, adyacente a la
zona de concentración de cargas negativas [9].
13
La LPCC afecta los valores del campo eléctrico ambiente producido por la base de la
nube, pero al ser esta zona bastante pequeña su efecto es muy reducido, efecto que se
muestra en la figura 2.2. Sin embargo, la existencia de esta zona hace que algunas de
las nubes cumulonimbus presenten una estructura tripolar.
Figura 2.2: Ejemplo de estructura para nube de tormenta con LPCC y su campo eléctrico asociado [9].
Luego de la etapa de disipación, durante la electrificación de la nube, las cargas ya se
han estabilizado y sus regiones cargadas ya son distinguibles. Al estar las cargas
estacionarias en este punto, el campo eléctrico ambiente asociado tiene la característica
de ser estático (continuo) [9].
En promedio se ha observado que las distribuciones de cargas en la atmósfera son
predominantemente de polaridad positiva, lo que genera un campo eléctrico ambiental
positivo en la superficie terrestre de magnitud cercana a los 100[V/m] [9]. Sin embargo,
al pasar por debajo de una nube de tormenta, al haber concentración de cargas negativas
en la base de la nube, el campo eléctrico sufre un cambio de polaridad a negativa, la
magnitud de este se ve reducida si hay presencia de LPCC.
14
2.2 Primeros sensores de Campo Eléctrico y Principios de
funcionamiento
En el siglo XIX, investigadores interesados en la estructura eléctrica de las nubes,
plantearon la hipótesis de que cargas positivas y negativas podían coexistir en el interior
de una nube de tormenta, sin embargo, hasta ese momento los instrumentos
desarrollados no permitían realizar mediciones que llevaran a establecer la estructura
eléctrica de la nube electrificada. En el comienzo del siglo XX, el físico escocés Charles
Thomson Wilson desarrolló su equipo “Electrómetro universal portátil” [12], el cual sería
el precursor de los siguientes equipos de medición conocidos como máquinas de campo
eléctrico o molinos de campo.
2.2.1 Electrómetro universal portátil (Wilson 1905)
Este instrumento fue el primero utilizado por Wilson para la medición de campo eléctrico
atmosférico, pudiendo registrar su variación en el tiempo durante tormentas eléctricas
[12], la figura 2.3 muestra el esquema de los componentes de este instrumento.
Figura 2.3: Esquema Electrómetro Universal [9].
Cuando la placa apantalladora se encuentra sobre la placa de sensado, la carga
depositada en esta es cero. Cuando la placa de apantallamiento es removida, la placa
de sensado toma carga eléctrica debido a la incidencia de campo eléctrico, produciendo
una deflexión en el electrómetro [12]. El condensador del circuito se encarga de anular
la carga tomada por el electrómetro y hacer que este vuelva al estado inicial. Tras una
calibración adecuada, la cantidad de movimiento utilizado para anular la carga del
electrómetro es una medida de la intensidad de campo eléctrico incidente.
15
A partir de esto, los instrumentos desarrollados a continuación mantienen la idea de
medir la magnitud de alguna cantidad física, ya sea deflexión, carga, tensión o corriente
eléctrica para relacionarla (luego de una calibración) con un determinado valor de campo
eléctrico ambiente.
2.2.2 Máquina de campo eléctrico llevada por globo. Winn y Byerley (1975)
Fue utilizada para medir el campo eléctrico horizontal bajo la nube de tormenta (método
de Simpson) e incluso dentro de esta (𝐸𝑎𝑙𝑜𝑓𝑡) [13], el mecanismo de medición para este
molino consiste en un apantallamiento del campo eléctrico incidente mediante el giro de
un arreglo de 2 esferas, el diseño de esta máquina se muestra en la figura 2.4.
Figura 2.4: Esquema EFM llevada por globo. [13] (modificada)
El sensor propiamente tal consiste en 2 esferas de cobre huecas de 15[cm] de diámetro
cada una, separadas a 2[cm] de distancia. Las esferas rotan respecto a la línea vertical
perpendicular a la línea que se forma entre sus centros. La carga eléctrica de las esferas
varía sinusoidalmente al recibir el campo eléctrico, esta carga se amplifica dentro de las
esferas y se transmite hacia los receptores en tierra [13].
El conjunto de amplificadores y transmisores se encuentran dentro de una de las esferas.
Además, estas esferas sirven de antena para el envío de la señal. Durante mediciones
hechas con este instrumento en 1975 [13], se observó que el campo eléctrico dentro de
la nube aumentaba linealmente entre eventos de descargas atmosféricas. Detalles
constructivos y parámetros electrónicos para esta máquina se muestran en la tabla 2.1
16
Tabla 2.1: Parámetros EFM llevada por globo. A partir de [13].
Parámetros Técnicos Magnitudes
Velocidad Rotación 120 [RPM]
Frecuencia Señal 2 [Hz]
Frecuencia Electrónica 100 [Hz]
Frecuencia Transmisión 400-3500 [Hz]
E-Field Máx 100 [kV/m]
Resolución 24.4 [V/m]
Vout Máx 2.5 [V]
Radio O1 0.07 [m]
Radio O2 0.07 [m]
Separación 0.02 [m]
Las máquinas de campo actuales basan su funcionamiento en el mismo principio de las
primeras máquinas, sin embargo, hay 2 tipos de diseño predominantes:
El primero consiste en la utilización de superficies de captación con partes conductoras
y aislantes con áreas iguales. El apantallamiento se obtiene mediante el giro de una de
las partes del conjunto, obteniendo una señal periódica producto de la carga inducida en
la superficie de captación. El segundo consiste en tener los electrodos de captación y la
utilización de ventanas de inducción las cuales se abren y cierran con el giro de la hélice
ó (en recientes máquinas) que abren y cierran por la acción de una placa que actúa como
un obturador con alta frecuencia de movimiento.
17
2.2.3 Medición de campo eléctrico para seguimiento de tormentas eléctricas.
Desde 1916 se ha utilizado la medición de campo eléctrico atmosférico (y su variación)
para estudiar la formación de nubes de tormenta e intentar predecir la ocurrencia de
rayos [9]. En la actualidad se sigue utilizando este método por ser la técnica más
adecuada para describir los procesos de electrificación de las nubes de tormenta y
gracias a esto ha sido posible caracterizar el comportamiento del fenómeno en diferentes
lugares del mundo. Todos estos estudios han sido realizados en forma constante por
más de 100 años en investigaciones concentradas principalmente en lugares como
Estados Unidos, Europa, Japón y en las últimas 2 décadas en Latinoamérica
principalmente en Colombia [14].
Al aparecer o formarse una nube de tormenta se generan nuevas densidades
volumétricas de carga en la atmósfera, mucho mayores a las de las condiciones
normales, las cuales generan un aumento en la amplitud del campo eléctrico ambiente
[9].
Uno de los métodos existentes para el estudio es el método de Simpson [9], el cual busca
medir la carga transportada por la lluvia bajo la nube. Para la implementación de este
método se utilizan sensores de campo dentro de globos que circulan bajo las nubes de
tormentas como el caso del sensor de Winn y Byerley. Sin embargo, el método de estudio
más popular y efectivo es el propuesto en 1905 por C.T.R Wilson [12], el cual consiste
en realizar mediciones de las variaciones de magnitud en el campo eléctrico atmosférico.
18
2.2.3 Tensión en una Antena de placa metálica
Las máquinas de campo eléctrico se utilizan con el propósito de realizar mediciones del
campo aplicando los principios de Ley de Coulomb, la distribución de campo eléctrico
generado por cargas en el espacio y el principio de inducción de carga superficial para
generar una carga eléctrica variable.
A continuación, se presenta el principio físico principal utilizado en los diseños de molinos
de campo y antenas [15], sea cual sea el diseño del molino o de máquina de campo, su
funcionamiento estará basado en lo siguiente:
Figura 2.5: Esquema disco levantado de tierra sujeto a campo eléctrico E [15].
Al estar una placa metálica sujeta a un campo eléctrico (figura 2.5), se define el campo
como la fuerza por unidad de carga en cada punto de la región [15].
𝑬 =𝑭𝒆
𝑸𝟎=
𝑸
𝟒𝝅𝝐𝟎𝝐𝒓𝒓𝟐 (2.1)
Donde 𝑄 representa la carga, 𝑄0 representa una carga de prueba, 𝑟 la distancia, 𝜖0 𝑦 𝜖𝑟
son la permitividad absoluta y relativa respectivamente. El término 𝐸𝜖0𝜖𝑟 se define como:
𝑫 = 𝑬𝜺𝟎𝜺𝒓 (2.2)
19
La densidad de flujo eléctrico 𝐷, la cual está presente en la Ley de Gauss (Anexo B),
define que el flujo eléctrico que atraviesa una superficie cerrada es igual a la carga neta
encerrada por la superficie en cuestión [15]:
∮𝑫𝒅𝒔
𝒔
= 𝑸 (2.3)
Para este caso, un disco plano sobre tierra en un campo eléctrico 𝐸 constante [15], se
induce una carga Q en el disco en el momento en que el campo pasa a estar en contacto
con este, la integral pasa a tomar la forma:
𝑫𝑺 = 𝑸 (2.4)
donde S representa el área del disco. A partir de (2.4) y la ley de Gauss encontrada en
el Anexo B, el campo eléctrico normal al disco es:
𝑬𝒏 =𝑸
𝝐𝟎𝝐𝒓𝑨
(2.5)
Entonces la tensión entre el disco y tierra es
𝑽𝒈 = −∫ 𝑬𝒏𝒅𝒙𝒅
𝟎
= −𝑸
𝜺𝟎𝜺𝒓𝑺∫ (−𝟏)𝒅𝒙
𝒅
𝟎
=𝑸𝒅
𝜺𝟎𝜺𝒓𝑺
(2.6)
De la ecuación (2.6) [15] se desprende que la tensión es directamente proporcional a la
carga presente en el disco. Esto permite relacionar la medición de campo eléctrico
ambiente con la carga presente en los conductores, la cual puede ser medida como una
proporción de alguna otra variable eléctrica (tensión en un condensador, o corriente en
el circuito) dependiendo del circuito electrónico usado para medir.
La medición del campo eléctrico producido por las nubes se dificulta dada su
característica de ser continuo. Es por esto que hay que introducir componentes que
generen una alternancia en la señal de salida [9][15].
20
2.2.4 Principio aplicado a Máquinas de Campo eléctrico.
En el caso de los molinos de campo convencionales, se utiliza una hélice apantalladora
que, mediante su giro, logra que los receptores se carguen y descarguen periódicamente
al ser bloqueados y nuevamente expuestos al campo eléctrico. Esto genera una señal
de tensión alterna o corriente alterna la cual es una medida proporcional a la intensidad
de campo eléctrico incidente [9].
Figura 2.6: Esquema de los distintos instantes de apantallamiento [9].
La condición de frontera entre el aire y la superficie sensora [9] está dada por la
expresión:
�⃗⃗� = 𝑸
𝑨 = 𝜺𝟎�⃗⃗�
(2.7)
La figura 2.6 muestra las distintas fases de la inducción dependiendo de la posición de
las hélices respecto de las superficies receptoras. Al estar totalmente expuesta, la
superficie receptora obtiene una cantidad máxima de carga 𝑄𝑚𝑎𝑥 y al cerrarse las
ventanas, hay una reducción continua del área expuesta y por ende la densidad de carga
en el receptor decrece [9]. Al cerrarse completamente la carga inducida se reduce a cero,
repitiéndose este ciclo periódicamente, obteniendo una forma de onda que se asemeja
a una sinusoide.
21
En cuanto a la medición de la señal, dependiendo de la capacidad de los circuitos
electrónicos utilizados, es posible medir la carga inducida como una señal de tensión o
de corriente con un osciloscopio o puede ser llevada a un ordenador para hacer
posteriores análisis.
2.3 Máquinas de campo Eléctrico (MCE ó EFM)
Las máquinas de este estilo están compuestas por 2 placas conductoras más una
cubierta o carcasa que ayuda al apantallamiento. Típicamente la placa giratoria tiene
forma de hélice y esta se suele aterrizar mediante un contacto de carbones mientras se
acopla al motor impulsor que se ubica en la base. Para proteger el motor y los sensores
de la lluvia, polvo y otro tipo de precipitaciones, la instalación suele hacerse con los
sensores y hélices hacia abajo, usualmente colgando de soportes metálicos o soportes
empotrados en muros.
La placa receptora se encuentra desacoplada del eje del motor y a su vez empotrada en
la base del conjunto, generalmente un material no conductor como sustrato, acrílico, etc.
Esta placa receptora es expuesta periódicamente al campo eléctrico, induciendo en esta
una carga eléctrica proporcional a la intensidad de este mediante el giro constante de la
placa apantalladora impulsada por el motor [16], la figura 2.7 ilustra los componentes
principales de las máquinas de campo eléctrico.
Suelen encontrarse diseños con un único electrodo de medida en los cuales se mide la
señal de tensión del electrodo con respecto a tierra o diseños con varios electrodos en
los que la medida se hace en forma diferencial entre los electrodos cubiertos y
descubiertos por la pantalla móvil.
Figura 2.7: Principio de funcionamiento EFM [16].
22
Figura 2.8: Ejemplo de un registro de campo eléctrico hecho por un molino de campo en KSC en 1978 [17].
En la figura 2.8 se ilustra un registro de campo eléctrico por un molino AGBFM en
Kennedy Space Center en el año 1978, las repentinas alzas de magnitud en el campo
se asocian a la ocurrencia de descargas atmosféricas.
En casos donde se requiere más precisión o un mejor apantallamiento, se utiliza el estilo
de diseño de ventanas de inducción, ya que la estructura con ventanas suele ser un
metal conductor, lo que restringe de mejor manera la entrada del campo eléctrico al
sensor, quedando casi en su totalidad la componente vertical de este. Algunos
inconvenientes de esta tecnología radican en la potencia necesaria para el movimiento
del motor y conjunto acoplado a este, junto con la mantención constante que debe tener
para el correcto funcionamiento de las partes mecánicas.
Actualmente los molinos de campo eléctrico son de los equipos más recomendados para
implementar Sistemas de Alerta de Tormentas (SAT) [18]. La norma IEC 62305 [19]
recomiendan el uso de molinos debido a su capacidad para monitorear el crecimiento de
la carga electrostática que antecede a la ocurrencia de rayos, pudiendo implementar
sistemas de alarmas en base a estas mediciones.
23
2.3.1 Molino de Campo Eléctrico MCE-UN (2006)
La máquina de campo eléctrico diseñada por D. Aranguren [9] consiste en un molino de
campo eléctrico cuyo sensor produce una señal que contiene la información de la
amplitud y la polaridad del campo eléctrico que incide en las ventanas de inducción.
La característica principal de esta máquina es el uso de ventanas de inducción que van
ubicadas en la parte inferior del conjunto [9]. Con la ayuda de un motor, se impulsa el
conjunto logrando apantallar y descubrir las placas receptoras de campo. Durante el giro
se logra que el área expuesta al campo eléctrico ambiental vaya variando continuamente
desde 0 (cuando está totalmente apantallada) hasta su área total (totalmente
descubierta) y luego reduciéndose nuevamente hasta 0. Esto último se traduce en la
obtención de una señal de características sinusoidales que es posteriormente filtrada y
acondicionada a los requerimientos de los equipos de comunicación a PC [9].
La rotación descrita se logra por medio de un motor cuya velocidad de giro se puede
controlar entre 750 y 7500 [RPM], el ajuste de la velocidad de rotación controla la
frecuencia de la señal obtenida. El resto de las características técnicas se encuentran en
la tabla 2.2. mientras que la instalación de los componentes y montaje del molino en
terreno se muestra en la figura 2.9.
Tabla 2.2: Características técnicas MCE-UN, D. Aranguren. Hecha en base a [9].
Características MCE-UN
Ventanas de Inducción 8
Frecuencia de rotación 750-7500 [RPM]
Frecuencia Señal 0.1-1 [kHz]
Resolución vertical 20-40 [V/m]
Rango de medición +/- 10 [kV/m], +/- 20 [kV/m]
Amplitud señal de salida 0-5 [V]
Tensión alimentación +/- 5 [V], +/- 15 [V]
Comunicación RS485
24
Figura 2.9: Esquema de construcción MCE-UN e instalación en terreno [9].
Figura 2.10: Señal entregada por MCE-UN frente a campo eléctrico de polaridad positiva [9].
En molinos de campo convencionales, la polaridad se determina comparando la señal
entregada por el equipo con una señal auxiliar generada por dispositivos inductivos u
ópticos aprovechando la apertura y cierre de las ventanas de inducción [9].
En el molino MCE-UN, las formas de los semiciclos de la señal generada por el giro de
la hélice de apantallamiento son distintos y la principal característica de estos es que el
semiciclo que tenga la mayor amplitud coincidirá con la polaridad del campo incidente
[9], por ejemplo en la figura 2.10 se distingue que el semiciclo positivo tiene mayor
magnitud que el negativo, por lo que el campo incidente corresponde a polaridad positiva
[9]. Esto permite ahorrar la utilización de dispositivos para generar la señal auxiliar y en
cambio añadir un procesamiento adicional a la señal generada para comparar la amplitud
de cada semiciclo y determinar la polaridad del campo incidente.
25
2.3.2 Atmospheric Electric Field Monitor EFM-100 (Boltek) / GEO-EFM-100
(Geónica)
El equipo EFM-100 desarrollado por Boltek Corporation es un molino de campo eléctrico
diseñado para la detección de descargas atmosféricas [20], sin embargo los fabricantes
señalan que los datos entregados por el molino son aproximados y no deberían usarse
en aplicaciones de seguridad, ya que las localizaciones y estados de alarma para
tormentas no son lo suficientemente precisos para asegurar al personal, equipamiento o
datos [20].
Este equipo es un molino de campo eléctrico de corto alcance, con una distancia máxima
de monitoreo de 38[km] [20]. Su función principal es el monitoreo de rayos y activación
de alertas gráficas en PC al momento de detección, estas funciones son ajustables en
cuanto al rango de distancia para monitorear y cuenta con 2 alarmas de campo eléctrico
alto a las cuales el usuario es capaz de configurar los niveles deseados para activación.
Como se muestra en la figura 2.11, el EFM-100 utiliza varias placas receptoras circulares
ubicadas en la periferia de una base cilíndrica, utilizando un molino con 6 aspas en su
periferia para apantallar a los receptores [20], al momento de instalar, las placas
receptoras deben apuntar hacia abajo (figura 2.12) para protegerse de la lluvia y material
particulado que pueda afectar la sensibilidad de los receptores. Cuando las placas
sensoras están expuestas al campo eléctrico, la carga eléctrica pasa a través de una
resistencia para obtener la tensión AC en ella, la cual es una medida proporcional de la
corriente en la resistencia, de esta forma la magnitud de la tensión AC es una medida
proporcional del campo eléctrico en las placas receptoras.
Figura 2.11: Sensor EFM-100. Diagrama de bloques para medición, amplificación y procesamiento de señal de
tensión [20].
26
Figura 2.12: Instalación invertida en suelo GEO-EFM-100 [20].
El equipo incluye un software para la visualización de datos donde se puede ver
gráficamente el campo eléctrico en la atmósfera en tiempo real, así como las ubicaciones
de descargas eléctricas dentro del rango del molino, datos que están disponibles por
acceso remoto por internet o red local y para 4 equipos simultáneamente [20].
2.3.3 Thunderstorm Electric Field Mill EFM 550, VAISALA.
Vaisala es una empresa finlandesa especializada en venta de equipos e instrumentos de
medición de clima y el ambiente, sus equipos para detección de tormentas y descargas
atmosféricas en base a molinos y antenas son principalmente usados en redes
nacionales de detección de rayos tales como la NLDN [21][22] en Estados Unidos y
Japanese Lightning Detection Network en Japón [23].
El equipo Thunderstorm EFM550 [21] se encarga de medir el campo eléctrico ambiente
con el mismo principio de funcionamiento de los molinos de campo convencionales y
cuenta con 2 ventanas de inducción a diferencia de EFM-100 donde las hélices están
expuestas. Su capacidad de monitorear el desarrollo y/o disipación de nubes de
tormenta, así como amenazas de rayos se utilizan en aplicaciones como operaciones
mineras, puertos marítimos, plantas de procesos químicos, almacenamiento de
combustible y refinerías de petróleo, operaciones aeroespaciales.
27
El modelo presentado cuenta con optimizaciones en su diseño para minimizar los
mantenimientos a lo largo de su vida útil y reducir la potencia consumida por el motor
impulsor, sus dimensiones se muestran en la figura 2.13 y sus características técnicas
en la tabla 2.3.
Figura 2.13: Dimensiones de instalado EFM550 [21].
Tabla 2.3: Detalles técnicos EFM550 [21].
Carácteristicas Técnicas
Rango de medición (+ y -) +/- 10 [kV/m]
Intervalo de confianza 5% de la lectura, offset de +/-50[V/m]
Tiempo de respuesta 1[s]
Comunicación RS-232
Temperatura de operación -23 [°C] a +50 [°C]
Tensión de alimentación 100-240 [V], 50-60 [Hz]
20-30 [Vdc]
Potencia 2.3 [W]
28
2.4 Micromachined Electric Field Mill (MEFM)
La tecnología MEFM es una nueva alternativa para la medición de campo eléctrico, su
uso no está masificado todavía ya que aún no se encuentra un diseño o tecnología
óptimo. Esta tecnología surge por el interés de tener equipos capaces de medir campo
eléctrico bajo líneas de transmisión HVDC y de menor consumo de potencia en operación
continua que una MCE convencional [24].
El principio de funcionamiento sigue la misma línea que la de un molino de campo, pero
la rotación o movimientos necesarios para incorporar la alternancia a la señal es obtenida
por otros medios. En general se tiene una placa estática la cual se carga cuando el
campo eléctrico incide directo en ella, pero la diferencia es que el paso e interrupción del
campo eléctrico es regulado por el movimiento horizontal y/o vertical de placas
apantalladoras. Estos movimientos horizontales y/o verticales provienen de vibraciones
[25], deflexiones por fuerza electrostática [24] o expansiones térmicas [26].
Zhou y Shafai realizaron una serie de estudios referentes a las dimensiones de los
parámetros de interés de una MEFM para maximizar su sensibilidad [25][27], las figuras
2.14, 2.15 y tabla 2.4 muestran estos parámetros y sus definiciones.
Figura 2.14: MEFM con electrodos bloqueados del campo y MEFM con electrodos descubiertos [25].
Figura 2.15: Componentes y parámetros de interés para MEFM [25].
29
Tabla 2.4: Parámetros de interés para construcción de MEFM [25].
Parámetros Definición
L Separación entre ranuras
Sl Largo de ranura
Sw Ancho de ranura
Ew Ancho de electrodos
ts Grueso del obturador
g Gap entre electrodos y obturador
Figura 2.16: Resultados experimentales con MEFM [27].
Uno de los resultados más importantes del estudio realizado por Zhou y Shafai [27] se
ilustra en la figura 2.16, donde mediante mediciones experimentales logran determinar
que la relación entre el gap de los electrodos y obturador, junto con la separación entre
ranuras, son las proporciones más importantes de los parámetros constructivos
estudiados, su minimización aumenta considerablemente la sensibilidad de este equipo.
2.4.1 MEFMs de apantallamiento vertical
Se ha visto en las MEFM con obturadores de movimiento lateral, que bajo campos
eléctricos de alta intensidad el obturador puede salirse de lugar o desplazarse más de lo
admisible, lo cual se traduce en una disminución de la sensibilidad del sensor [24][26].
En cambio, para los obturadores de movimiento vertical, se utilizan actuadores
piezoeléctricos y de operación resonante, estos también reducen la sensibilidad del
sensor debido a la tensión considerable que usan para su control [24]. Cabe mencionar
que las dimensiones generales de este tipo de dispositivos experimentales son
extremadamente pequeñas en comparación a las alternativas actuales de molinos de
campo eléctrico.
30
2.4.1.1 MEFM de membrana y fuerza electrostática
Otra alternativa para realizar la medición es medir la deflexión en una membrana metálica
provocada por la fuerza electrostática producto del campo eléctrico ambiental [24]. La
deflexión en la membrana es medida mediante un láser como ilustra la figura 2.17, sin
embargo, esta alternativa de medición no resulta muy atractiva ya que la implementación
del sistema láser es complicada de incorporar a nivel constructivo y aumenta mucho el
requerimiento de potencia del equipo en conjunto.
Figura 2.17: Esquema de MEFM de membrana con medición vía Láser [24].
E. Tahmasebian et al. en 2013 [24] optan por un sistema capacitivo mostrado en la figura
2.18, donde el condensador equivalente entre la placa conectada a tierra y la membrana
metálica variará su magnitud de capacitancia según el nivel de deflexión. Al ser la
deflexión de la membrana proporcional a la fuerza electrostática aplicada, y a su vez la
fuerza proporcional al campo eléctrico, la variación de capacitancia es una medida
proporcional del campo eléctrico al que está expuesta la membrana.
Figura 2.18: Esquema de MEFM de membrana con medición capacitiva [24].
31
2.4.1.2 MEFM de actuación térmica
Esta tecnología fue estudiada por T.Chen et al. [26] en 2014. Los autores presentan un
nuevo tipo de MEFM en base al movimiento vertical de actuadores térmicos, estos se
ubican por sobre un obturador aterrizado. Los actuadores producen un movimiento
vertical, el cual se encarga de obstruir el campo eléctrico continuo incidente a los
electrodos receptores.
Cuando el obturador está elevado por sobre los electrodos receptores, la carga inducida
por el campo incidente disminuye [26]. Se encuentra que al ir aumentando la altura a la
cual se ubica el obturador, se logra un mayor apantallamiento del campo en los
electrodos receptores (figura 2.19). El conjunto del sensor y la placa obturadora se
diseñan con forma de peine doble para facilitar el movimiento vertical producido por la
expansión térmica del material [26].
Figura 2.19: Esquema de movimiento para el obturador y diseño del sensor con actuador térmico [26].
Para lograr el movimiento vertical, los actuadores térmicos tienen forma de U. Se
posicionan en ambos lados y son fabricados a partir de aluminio recubierto con dióxido
de Silicio (𝑆𝑖𝑂2), contando el centro del actuador con un calentador hecho de titanio. Se
utilizan líneas o filamentos de aluminio como fuentes de tierra, ubicadas a los lados de
los actuadores, estas también conectan el obturador al sustrato y contribuyen a disipar
calor del conjunto [26].
El movimiento vertical periódico del obturador logra que el campo incidente en los
electrodos receptores induzca una corriente alterna, la cual es medida para determinar
la intensidad del campo eléctrico. Cuando el obturador está en su posición más baja, la
carga inducida puede calcularse según la expresión (2.8):
𝑸 = 𝝐𝟎𝑨𝑬 (2.8)
32
Si cada movimiento vertical resulta en un 𝛥𝑄 y la frecuencia de vibración es 𝑓, entonces
la corriente inducida puede ser escrita como (2.9):
𝒊 = 𝒇𝜟𝑸 (2.9)
Lo que significa que el campo eléctrico ambiente puede medirse utilizando la corriente
inducida 𝑖, la sensibilidad del dispositivo puede incrementarse al aumentar el área de los
electrodos receptores y/o aumentando la velocidad de movimiento del obturador que
produce el apantallamiento de estos. La tabla 2.5 muestra las dimensiones de los
parámetros críticos para este diseño.
Tabla 2.5: Dimensiones para conjunto de sensor y obturador de acción térmica [26].
Parámetro Magnitud [um]
Ew 10
El 100
Fw 10
Fl 100
Fs 16
Donde 𝐸𝑤 es el ancho del electrodo, 𝐸𝑙 es el largo, 𝐹𝑤 es el ancho de una “hebra” del
obturador, 𝐹𝑙 es el largo y 𝐹𝑠 es la separación entre hebras del obturador.
2.5 Modelamiento de centros de cargas y algoritmos de
localización.
Las máquinas revisadas anteriormente son las responsables de la medición de campo
eléctrico y polaridad de este, sin embargo, se necesita un procesamiento adicional de los
datos obtenidos para poder determinar cargas, distancias y poder estudiar a fondo el
fenómeno de tormentas y estructura eléctricas de las nubes. Distintos modelos de
centros de cargas para las nubes son utilizados para recopilar los datos de estos
modelos. Los principales métodos de mediciones corresponden al método de Wilson y
el método de Simpson [9].
33
El método de Wilson se centra en medir las variaciones del vector de campo eléctrico
ambiental provocadas por descargas atmosféricas, con estas mediciones se busca inferir
la magnitud y la polaridad del campo eléctrico ambiental [9]. Por otro lado, el método de
Simpson busca medir la carga que transporta la lluvia bajo una nube del tipo
Cumulonimbus. En la actualidad el método de Simpson ha sido extendido a la medición
del vector de campo eléctrico y a su vez el método de Wilson, a la medición de las
variaciones de campo eléctrico producto de las descargas intranube y nube-tierra para
determinar magnitud y altura de la carga transferida y el centro de carga de la nube [9].
En la actualidad existen en funcionamiento varios sistemas de medición basados en los
métodos de Wilson y Simpson. Destaca en esto los sistemas de medición de KSC en
Florida, EEUU [8] que cuenta con 31 molinos de campo eléctrico basados en el método
de Wilson.
Para poder determinar la ubicación y magnitud de los centros de carga, en 1989 Koshar
y Kider [17] modelaron la geometría de los centros de carga a base de 2 modelos, Carga
Puntual y Dipolo. El modelo de carga puntual se utiliza para rayos que transfirieron carga
de la nube a la tierra y el modelo de dipolo para considerar las fluctuaciones debido a las
descargas intranube.
2.5.1 Modelo de Carga Puntual
Se asume en un principio que el centro de carga de la nube de tormenta cuenta con
geometría esférica o que sus dimensiones son muy pequeñas comparadas con la altura
a la que se encuentra sobre la tierra [9][17]. Asumiendo que la superficie terrestre
directamente bajo la nube es un plano perfectamente conductor, la variación de campo
eléctrico resultante en una estación de medición con coordenadas 𝑥𝑖 , 𝑦𝑖, 𝑧𝑖 es:
𝜟𝑬𝒊 =𝜟𝑸𝒛
𝟐𝝅𝜺((𝒙 − 𝒙𝒊)𝟐 + (𝒚 − 𝒚𝒊)𝟐 + (𝒛 − 𝒛𝒊)𝟐)𝟑/𝟐
(2.10)
Donde ((𝑥 − 𝑥𝑖)2 + (𝑦 − 𝑦𝑖)
2 + (𝑧 − 𝑧𝑖)2)3/2corresponde a la distancia entre el centro de
carga de coordenadas (𝑥, 𝑦, 𝑧) y la i-ésima estación de medición y 𝛥𝑄𝑧 es la carga
transferida. Al ser 𝛥𝑄𝑧, 𝑥, 𝑦, 𝑧 las variables a determinar, son necesarias un mínimo de 4
estaciones de medición para encontrar las coordenadas y la magnitud de la carga [9].
34
2.5.2 Modelo Dipolo
Para este modelo, se asume que una descarga intra-nube neutraliza eléctricamente 2
puntos de carga, la variación de campo eléctrico resultante es la superposición de las
variaciones producidas por cada punto de carga [9][17].
𝜟𝑬𝒊 =𝜟𝑸𝒛
𝟐𝝅𝜺{
𝒛+
(𝑫+𝟐 + (𝒛+ − 𝒛𝒊)𝟐)𝟑/𝟐
−𝒛−
(𝑫−𝟐 + (𝒛− − 𝒛𝒊)𝟐)𝟑/𝟐
} (2.11)
𝑫+𝟐 = (𝒙+ − 𝒙𝒊)
𝟐 + (𝒚+ − 𝒚𝒊)𝟐
(2.12)
𝑫−𝟐 = (𝒙− − 𝒙𝒊)
𝟐 + (𝒚− − 𝒚𝒊)𝟐 (2.13)
𝑥+, 𝑦+, 𝑧+son las coordenadas del punto de carga positivo, 𝑥−, 𝑦−, 𝑧−son las coordenadas
del punto de carga negativo. Este modelo requiere contar con un mínimo de 7 estaciones
de medición para determinar todas las variables en cuestión.
2.5.3 Mínimos Cuadrados
El método de mínimos cuadrados se basa en minimizar el estadístico chi-cuadrado, el
cual mide la desviación entre los valores de campo eléctrico medidos y los valores
estimados a partir del modelo que se haya utilizado para representar los centros de
carga.
𝝌𝟐 = ∑(𝜟𝑬𝒊 − 𝜟𝑬𝒎𝒊)
𝟐
𝝈𝑬𝒊𝟐
𝒏
𝒊=𝟏
(2.14)
Donde 𝛥𝐸𝑚𝑖 corresponde a la diferencia de campo eléctrico medida en la i-ésima
estación, 𝛥𝐸𝑖 es el valor de la diferencia de campo eléctrico pero esta vez calculado en
base al modelo y 𝜎𝐸𝑖2 es la varianza de la medición. Terminada la minimización del
estadístico, se obtienen los valores de los parámetros del modelo escogido (4 o 7
parámetros dependiendo de si el modelo utilizado es Carga puntual o Dipolo) [9].
35
2.5.4 Time of Arrival, Tiempo de llegada.
Hoy en día existen diversos métodos para medir o determinar la posición de un objeto o
evento en el espacio siendo las más comunes las técnicas de alcance, este tipo de
técnicas involucran el emitir o enviar una señal entre un objetivo (target) y varios puntos
de referencia dispersos en el área de interés [28], en cuanto a sistemas de detección de
tormentas eléctricas, su aplicación primordial es la de ubicación de descargas eléctricas
a partir de la captación de la señal emitida por las máquinas de campo eléctrico en los
alrededores. La mayoría de estas técnicas se basan en uno de los siguientes métodos:
Time of Arrival (ToA) o Time Diference of Arrival (TDoA).
El método ToA es la forma más simple y comúnmente usada entre las técnicas de
alcance [28], notablemente usado por los sistemas de GPS. El método se basa en el
conocimiento exacto del momento en que una señal es enviada por el objetivo, el
momento exacto en que la señal es recibida por el punto de referencia, y la velocidad en
que la señal viaja por el espacio (por ejemplo, velocidad de sonido o velocidad de la luz).
Conociendo estos 3 parámetros se procede a calcular la distancia de separación entre
el objetivo y referencia mediante la ecuación (2.15):
𝒅 = 𝒄(𝒕𝒍𝒍𝒆𝒈𝒂𝒅𝒂 − 𝒕𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂) (2.15)
Donde en este ejemplo c es la velocidad de la luz. Usando este valor de distancia como
radio, se traza una circunferencia con centro en la referencia.
𝒅 = √(𝒙𝒓𝒆𝒇 − 𝒙)𝟐 + (𝒚𝒓𝒆𝒇 − 𝒚)𝟐 (2.16)
La expresión (2.16) nos indica la circunferencia de los posibles lugares donde se
encuentre el objetivo, siendo (𝑥𝑟𝑒𝑓, 𝑦𝑟𝑒𝑓) la posición conocida del punto de referencia [28].
El paso siguiente es determinar esta circunferencia para la mayor cantidad de puntos de
referencia posibles dependiendo el tipo de sistema (mínimo 3 para 2 dimensiones y 4
para 3 dimensiones) y con eso calcular la posición exacta del objetivo encontrando la
intersección de las circunferencias.
En el ejemplo de la figura 2.20a, se tiene una zona donde se desconoce la posición del
objetivo, pero se tienen 3 puntos de referencia de posición conocida, en un primer
momento 𝑡1 envía una señal desde el punto de referencia 1 (𝑃1) hacia el objetivo, la cual
es recibida en el momento 𝑡2 y se procede a dibujar la circunferencia correspondiente
con radio 𝑑1 con la formula (2.16) como lo muestra la figura 2.20b, el proceso se repite
para los puntos 𝑃2 y 𝑃3 obteniendo 2 círculos adicionales.
36
(a) (b)
Figura 2.20: (a) ubicación de 3 puntos de referencia para ToA. (b) determinación de la primera circunferencia. [28]
(modificado)
Figura 2.21: Triangulación mediante ToA terminada, localización de punto objetivo. [28] (modificado)
La figura 2.21 muestra las circunferencias de los posibles lugares donde podría estar el
objetivo para cada punto de referencia, al encontrar la intersección de todas las
circunferencias se da con la posición exacta del objetivo.
Para el caso de detección de rayos y tormentas eléctricas, se utiliza la misma idea, pero
hay un grado de dificultad adicional al ser la misma ocurrencia del rayo o de tormenta
eléctrica la fuente de la señal que es recibida por los sensores. Las máquinas de campo
eléctrico reciben señales de campo continuamente y al ocurrir una descarga se registra
un aumento considerable en magnitud por un corto tiempo. Es difícil determinar un
tiempo de salida o de ocurrencia del rayo al mirar la onda entregada por los sensores,
por lo que se utilizan diversos métodos de procesamiento de señales para estimar el
tiempo de salida de la señal según la forma de onda [9].
Se define Tiempo de Vuelo como el tiempo que tarda una señal o pulso en llegar a un
receptor desde que esta es emitida (𝑡𝑙𝑙𝑒𝑔𝑎𝑑𝑎 − 𝑡𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎). Métodos para la estimación de
este son el método de Correlación Cruzada, método de Envoltura mediante
Transformada de Hilbert, Compensación de dispersión y Descomposición por Búsqueda
Coincidente de Chirplet [29].
37
Capítulo 3 : Diseño y construcción de molino de
campo eléctrico
3.1 Primer diseño de sensor, MCE de conmutación electrónica.
3.1.1 Motivación y funcionamiento
El objetivo inicial para este trabajo, fue diseñar un EFM o molino de campo que
funcionará sin componentes mecánicos para el apantallamiento (sea motores, fuentes
de vibración o conmutadores). Se optó por ocupar placas receptoras de cobre por su
nivel de conductividad, utilizando el principio antes visto de tensión en una placa metálica
expuesta a campo eléctrico, pero esta vez utilizando un par de placas en paralelo para
formar un condensador. Estas placas se encontrarían galvánicamente unidas por medio
de un MOSFET para abrir y cerrar el circuito cuando fuera deseado.
El principio de funcionamiento consiste en que las placas receptoras están
permanentemente expuestas al campo eléctrico sin ventanas de captación o pantallas
como muestra la figura 3.1. Con la conmutación controlada de MOSFETs, se introduce
la alternancia en la señal al abrir y cerrar el circuito y permitir el paso de corriente
producto de la carga acumulada en las placas. Cuando el MOSFET esté con circuito
abierto, la placa acumula carga, luego cuando el MOSFET este con circuito cerrado, la
carga acumulada es libre de circular y es medida para obtener un valor proporcional del
campo eléctrico.
Figura 3.1: Placas de cobre montadas en acrílico.
Se utilizaron MOSFET es vez de tiristores debido a las frecuencias de trabajo a emplear
(por sobre 1[kHz]) y también debido a que los MOSFET se pueden trabajar como
interruptores, abriéndose cuando la señal controladora lo indica.
38
3.1.2 Componentes del sensor prototipo
Los principales circuitos electrónicos presentes en el sensor son el control de disparo de
los MOSFET, el regulador de tensión de 5[V], un circuito amplificador y acondicionadores
para la señal a ser medida.
El circuito de control de disparo de los MOSFET consiste en un circuito integrado LM555
en configuración monoestable (figura 3.2), el cual entrega un tren de pulsos cuadrados
con frecuencia y ciclo de trabajo variable mediante la incorporación de un potenciómetro
de 250[𝑘𝛺].
Figura 3.2: Esquema de circuito LM555 en configuración Monoestable.
El integrado LM555 monoestable entrega a la salida un tren de pulsos cuadrados con
frecuencia regulable entre 1.5[kHz] y 3.5[kHz] como se ilustra en la figura 3.3, estos
pulsos se utilizan para abrir y cerrar el circuito del sensor mediante el MOSFET antes
mencionado.
Figura 3.3: Señal de salida LM555.
39
Para energizar el circuito de disparo, se utiliza una fuente de poder de 12[Vcc] conectada
a la red de 220[V]. Estos 12[V] pasan por un regulador de tensión de 5[V] al cual se le
agregan condensadores tanto en la entrada como en la salida para disminuir el “ripple”
de la señal, obteniendo una tensión de entrada al integrado LM555 con menores
desviaciones de su valor nominal. El esquema de instalación de estos componentes se
ilustra en la figura 3.4, el montaje en protoboard se ilustra en la figura 3.5.
Figura 3.4: Esquema de componentes electrónicos en cascada.
Figura 3.5: Circuitos electrónicos utilizados para la primera versión del sensor.
En cuanto al circuito captador, el sensor consiste en una placa circular de cobre a la cual
se le incorporan electrodos para llevar la carga obtenida al circuito. Dentro de las
alternativas para realizar la medición, se intentó medir la tensión en una resistencia de
medida y la corriente por el circuito al pasar por un circuito amplificador de carga. Esta
carga es llevada a un amplificador de carga para obtener una señal de tensión a partir
de la corriente obtenida:
𝑽𝒐𝒖𝒕 = 𝑸𝒊𝒏
𝑪𝒇 (3.1)
Donde 𝑉𝑜𝑢𝑡 es la tensión de salida, 𝑄𝑖𝑛 es la carga acumulada en el sensor durante el
periodo en que el circuito está abierto, y 𝐶𝑓 es el condensador de realimentación utilizado
en el circuito amplificador de carga.
40
3.1.3 Mediciones de prueba
Se realizaron mediciones donde se energizó utilizando un rectificador de onda completa
con tensión de salida de 300[V] y en otra instancia el equipo de prueba de alta tensión
“VLF Baur 28kV” para entregar tensión alterna de hasta 20[kV] en saltos de 1[kV]. Se
utilizó como soporte para las pruebas la estructura de calibración construida durante el
desarrollo de este trabajo, los detalles del soporte se encuentran más adelante en el
apartado de calibración.
Las mediciones obtenidas no mostraron resultados satisfactorios, las formas de onda
obtenidas no reflejaban ninguna señal medida, solo efectos de los circuitos para tratar la
señal y el encendido y apagado del MOSFET. Las formas de onda no mostraban cambios
de magnitud considerables o legibles al ir variando la tensión de aplicación (al aumentar
la tensión aumenta el campo eléctrico incidente). Se adjuntan las formas de onda
obtenidas con el conjunto de amplificadores conectado y luego sin los amplificadores,
midiendo directamente la tensión en la resistencia de medida sin ningún tipo de filtro o
ganancia.
Figura 3.6: Señal obtenida en prueba con campo eléctrico continuo, tensión de 300[V] CC (Con amplificadores).
Figura 3.7: Señal obtenida en prueba a 300[V] CC (Sin conjunto amplificador/filtros).
41
Al ver las formas de ondas obtenidas en osciloscopio en las figuras 3.6 y 3.7, no se ven
las curvas esperadas de carga y descarga de condensadores, lo más cercano a eso es
la forma de onda al medir con el circuito amplificador de carga, debido a los
condensadores ocupados en la configuración de los amplificadores operacionales. Este
comportamiento se repite a distintos niveles de tensión variando desde los 220[V] hasta
los 20[kV], mostrando en el caso de la medición sin el circuito amplificador un reflejo de
la señal de disparo de los MOSFETS.
Las hipótesis formuladas para este comportamiento son:
● Las placas receptoras no son lo suficientemente sensibles o acumulan muy poca
carga frente a los campos eléctricos a las que fueron expuestas. Esta teoría no es
muy probable ya qué durante pruebas preliminares utilizando las mismas placas
de cobre como antena, se registró carga inducida ante a un campo eléctrico
alterno.
● El efecto de apantallamiento electrónico es de muy alta frecuencia como para
notar el comportamiento de carga y descarga de las placas de cobre (1.5[kHz] -
3.5[kHz]). Esta opción es más probable que la anterior, sin embargo, no es muy
probable ya que en la literatura y otras EFM expuestas, llegan a frecuencias de
1[kHz] con formas de ondas que reflejan la inducción de carga notoriamente.
● El efecto de apantallamiento electrónico propuesto no es capaz de replicar los
efectos que un apantallamiento 100% físico causa en la inducción de carga de las
placas de cobre, en otras palabras, el apantallamiento electrónico no asegura que
las placas de cobre se carguen y descarguen durante los periodos de conducción
y circuito abierto del MOSFET, ya que estas placas están el 100% del tiempo
expuestas al campo eléctrico. Esta última hipótesis es la más probable para
explicar la fallida implementación de este EFM de apantallamiento electrónico.
42
3.2 Molino de campo “UTFSM2”
3.2.1 Construcción y funcionamiento
El diseño del sensor corresponde a un molino de campo eléctrico convencional utilizando
el principio de funcionamiento de apantallamiento mecánico, compuesto por placas
receptoras de cobre montadas en una superficie aislante (acrílico en este caso) que a su
vez está montada en una lámina de aluminio conectada a tierra. Las placas receptoras
son conectadas a un osciloscopio mediante puntas de tensión para visualizar la señal; la
señal de tensión en las placas se mide respecto a la lámina de aluminio conectada a
tierra.
El motor descansa en una estructura base hecha de madera para evitar concentraciones
de campo y/o distorsiones de campo durante las mediciones [9], sobre esta misma
estructura base, se fija una lámina de aluminio a la cual se conecta la carcasa del motor
y se conecta a tierra para forzar su potencial (y el del motor) a cero. Sobre la lámina de
aluminio conectada a tierra, se ubica la placa de aislante de acrílico donde van montados
los receptores de cobre, las dimensiones finales del sensor se muestran en la tabla 3.1,
el conjunto montado se ilustra en la figura 3.8.
Tabla 3.1: Dimensiones sensor UTFSM2
Dimensiones Sensor
Alto 120 [mm]
Largo 145 [mm]
Ancho 145 [mm]
Peso 1.6 [kg]
Figura 3.8: Molino de campo eléctrico UTFSM2 ensamblado.
43
Las dimensiones del sensor permiten su fácil manipulación y realización de ajustes, así
como un transporte cómodo y fácil instalación en la estructura de calibración. La
estructura base incorporada brinda soporte al motor y amortigua las vibraciones
producidas por el giro del eje, estas vibraciones se ven reducidas aún más durante la
utilización de la estructura de calibración, ya que esta cuenta con unos soportes de
madera amortiguados con goma espuma como se detallará en el siguiente capítulo.
3.2.2 Hélice y placas receptoras
La hélice de cobre y placas receptoras (figura 3.9) fueron fabricadas a partir de una
misma plancha de cobre, se realizó el corte de las piezas con una fresadora CNC. La
hélice de cobre se encuentra montada en el eje del motor a 10[mm] por sobre las placas
receptoras, mientras que los receptores reposan sobre la placa de acrílico, la tabla 3.2
muestra las dimensiones de la hélice y las placas receptoras. La conexión a tierra de las
placas de cobre se realiza mediante la conexión de la lámina de aluminio con el motor.
Figura 3.9: Izquierda, Hélice apantalladora previo montaje. Derecha, placas receptoras previo al montaje.
Tabla 3.2: (a) Dimensiones Hélice. (b) Dimensiones Receptores.
44
La separación entre la hélice y las placas receptoras, junto con el diámetro de la
circunferencia de la hélice, se determinaron en base a la primera iteración de MCE-UN
[9] quedando en 10[mm] de separación y 120[mm] de diámetro. Dadas estas
dimensiones se optó por utilizar 3 aspas en lugar de 4 como en diseños vistos en [16]
para reducir el peso total de la placa. Con 3 hélices y la velocidad de giro nominal del
motor (1550[RPM]) también se logra estar dentro del rango de velocidades y frecuencias
utilizadas en molinos de redes de detección [9][18].
La hélice de cobre se encarga de apantallar a los receptores gracias a la rotación que
brinda el motor al cual se encuentra acoplada. Si bien el proceso de apantallamiento es
continuo, se distinguen las siguientes fases:
● Apantallamiento total: Es el momento en la rotación cuando las 3 aspas
de la hélice se encuentran perfectamente alineadas sobre los 3 receptores
de cobre (figura 3.10a), impidiendo el paso del campo eléctrico a los
receptores, y por ende bloquear la inducción de carga en estos. 0% del
campo eléctrico incidente es recibido por los receptores (en la práctica,
existen distorsiones de campo que hacen que un muy bajo porcentaje de
campo eléctrico llegue a las placas receptoras).
● Apantallamiento parcial: Como muestra la figura 3.10b, corresponde al
apantallamiento que está comprendido entre los intervalos de
apantallamiento total y receptores expuestos (todo el movimiento entre 0%
de exposición y el 100% de exposición y luego el inverso de 100% a 0%).
En este intervalo las placas receptoras reciben una parte del campo
eléctrico, por ejemplo, para un apantallamiento parcial del 50% en
condiciones de campo homogéneamente distribuido, el 50% del campo
eléctrico incidente está siendo bloqueado por las hélices, significando que
un 50% del área del receptor está siendo tapada por la hélice.
● Receptores Expuestos: En este punto (figura 3.11), ninguna parte de la
hélice apantalla los receptores, significando que un 100% del campo
eléctrico incide en la totalidad de los receptores de cobre, llegando a un
valor de carga inducida máxima.
45
(a) (b)
Figura 3.10: Hélice y receptores montados. (a) Apantallamiento total. (b) Apantallamiento parcial.
Figura 3.11: Receptores expuestos (100% del campo recibido en receptores).
46
3.2.3 Motor
El motor utilizado para impulsar la hélice apantalladora es un motor EBM de 10[W]
modelo M4Q045-CA04-51/C04, mostrado en la figura 3.12, originalmente utilizado para
impulsar un ventilador, ficha técnica adjunta en anexos. Sus características principales
son su simple alimentación en cualquier toma de 220[V], 50[Hz] y velocidad de rotación
nominal de 1550[RPM].
Figura 3.12: Motor impulsor montado en estructura base.
El encendido y apagado en esta primera instancia se hace mediante un interruptor en el
cable de poder. En futuras mejoras que se le pueden hacer al equipo en general, lo ideal
es implementar un control remoto de encendido y apagado. La ficha técnica del motor se
adjunta en el apartado Anexo C.
3.2.4 Estructura Base
Con la finalidad de evitar todas las distorsiones de campo posibles, se utilizó una mínima
cantidad de componentes metálicos y conductores en la construcción de la base. La
estructura tiene el trabajo de apoyar el motor y a su vez sostener las placas receptoras
en una superficie aislante (acrílico) con el suficiente espacio para disipar el calor
acumulado durante el funcionamiento. Se utiliza una lámina de aluminio cuadrada con el
fin de conectarla a tierra y brindar el potencial cero de referencia a las mediciones y para
aterrizar el motor y la hélice apantalladora. Esta lámina, los tornillos para fijar el acrílico
y la lámina al resto de la estructura, como también los pernos para fijar el motor a la base
de la estructura, son las únicas piezas metálicas utilizadas. El detalle de las dimensiones
de la estructura se encuentra en la tabla 3.3.
47
Tabla 3.3: Dimensiones estructura base.
Dimensiones Estructura Base [mm]
Alto 83
Largo 145
Ancho 145
Alto Acrilico 5
Largo Acrilico 120
Ancho Acrilico 120
Alto Columnas Madera 75
Largo Columnas Madera 18
Ancho Columnas Madera 18
La base de la estructura donde reposa el motor corresponde a una lámina cuadrada de
madera prensada MDF, en sus esquinas tiene 4 soportes de madera donde reposa la
lámina de aluminio conectada a tierra como muestra la figura 3.13.
Figura 3.13: Vista de perfil, estructura base.
3.2.5 Prueba preliminar con campo eléctrico continuo de baja magnitud
Esta prueba preliminar fue hecha en el laboratorio de alta tensión, en casa central de la
Universidad Técnica Federico Santa María, el día 6 de marzo del 2020, las pruebas de
rigor y calibración a mayor tensión, junto con mediciones para determinar los filtros
adecuados para el acondicionamiento de la señal no se pudieron llevar a cabo debido al
extenso periodo de confinamiento y cuarentenas en que no se pudo tener acceso a los
laboratorios.
48
La prueba preliminar consiste en verificar que el sensor entrega una señal legible en un
osciloscopio al estar en presencia de un campo eléctrico continuo. Al ser una prueba
preliminar, no hay presencia de ningún tipo de tratamiento o filtro para la señal de salida.
Para comprobar la sensibilidad a la carga del sensor, en un principio se utilizó una pieza
de cobre sin carga como patrón. Luego se repite la medición, esta vez usando como
fuente de campo una regla cargada por fricción, las ondas inducidas se comparan con el
caso patrón, las formas de onda obtenidas se muestran en la figura 3.14.
Figura 3.14: Izquierda: Señal para disco de cobre alejado. Derecha: Señal frente al acercamiento del disco de cobre.
Al encender los equipos se registra una señal sinusoidal de 19.2[mVrms], esta se
atribuye al ruido provocado por los transformadores y demás equipos presentes en la red
para energizar dentro del laboratorio. Como se esperaba, no hubo cambios
considerables en la magnitud de la lectura hecha por el osciloscopio al estar el sensor
en presencia de un material sin carga eléctrica.
A continuación, se hacen las pruebas con la regla cargada alejada del sensor (figura
3.15), se observa la misma forma de onda para el caso patrón, comportamiento que era
el esperado ya que no hay fuentes de campo eléctrico considerables cerca de este.
Figura 3.15: Regla cargada alejada del sensor.
49
Se procede a acercar la regla cargada a los receptores del sensor UTFSM2 para ver las
formas de onda en presencia de carga.
Figura 3.16: Formas de onda en diferentes instantes de tiempo, regla cargada cerca del molino de campo.
A partir de las formas de onda en el osciloscopio (figura 3.16), se nota un claro aumento
en la magnitud de la tensión inducida (Vrms y/o Vpeak) en las placas receptoras al
acercar la regla cargada, registrando una señal de amplitud máxima 76[mV], cabe
recordar que esta señal y todas las presentadas con anterioridad, se está midiendo la
tensión entre las placas receptoras y la lámina de aluminio conectada a tierra. La señal
no ha pasado por ningún tipo de filtro o tratamiento electrónico.
Como se señaló en el capítulo 2, la carga inducida en los receptores se puede encontrar
con la expresión:
𝑸𝒊𝒏𝒅(𝒕) = 𝝐𝟎𝑬𝑨(𝒕) (3.2)
Donde 𝐴(𝑡) es el área expuesta a campo eléctrico del receptor en el instante 𝑡 y 𝐸 es el
campo eléctrico homogéneo incidente. Esta carga es la responsable de la elevación de
tensión medida en las placas, sin embargo, para una mejor medición se deberá incluir
un elemento de medida como una resistencia, para medir esa carga en forma de corriente
y obtener una señal eléctrica apta para acondicionar con elementos electrónicos como
amplificadores, filtros, offset, etc.
50
Se calcula el valor esperado de corriente que circularía por el circuito de medición para
una estimación de magnitud de tensión a utilizar en un futuro diseño de componentes
electrónicos. A partir de (3.2) se obtiene la expresión para la corriente inducida:
𝒊𝒊𝒏𝒅(𝒕) = 𝝎𝝐𝟎𝑬𝟑𝑨(𝒕)
(3.3)
Donde 𝝎 = 𝟏𝟔𝟐. 𝟑𝟏 [𝒓𝒂𝒅
𝒔] es la velocidad de rotación de la hélice del equipo y el factor 3
aparece al haber 3 receptores de cobre. Con un área 𝑨𝒓𝒆𝒄𝒆𝒑𝒕𝒐𝒓 = 0.5237[𝑚2], se asume
la incidencia de un campo eléctrico homogéneo de magnitud 𝑬 = 1000[𝑉
𝑚], llegando al
valor de corriente efectiva:
𝑰 = 𝟏, 𝟓𝟗𝟔[µ𝑨]
(3.4)
Si se utiliza una resistencia de medición de 𝑅𝑚𝑒𝑑 = 1000[Ω], asumiendo que su inclusión
no disminuya la cantidad de corriente circulante, se espera una lectura de tensión de:
𝑽 = 𝟏, 𝟓𝟗𝟔[𝒎𝑽]
(3.5)
51
Capítulo 4 : Metodología y Guía para calibración
del equipo
4.1 Guía de Calibración para molino de campo eléctrico UTFSM
4.1.1 Descripción del método de calibración y condiciones
La calibración de un equipo es un proceso vital que debe realizarse para tener
mediciones replicables, comparables al medir en distintos lugares y para asegurar que
las cantidades medidas son lo más cercanas posibles a los valores reales. El objetivo de
la calibración es mantener y verificar el buen funcionamiento de los equipos y garantizar
mediciones confiables.
Para la calibración es necesario comparar los valores obtenidos por el instrumento con
valores referenciales o patrones, de esta forma se puede determinar una constante de
proporción que relacione ambas cantidades (en este caso sería el valor de entrada
campo eléctrico y el de salida tensión entregada por el equipo).
Deben registrarse los valores de los parámetros ambientales antes de comenzar,
principalmente temperatura ambiente, humedad y altura. Si las condiciones de operación
en terreno se desvían considerablemente de las condiciones de referencia, se deben
tener en cuenta sus contribuciones como fuentes de incertidumbre adicional a las
mediciones en terreno.
Como se vio anteriormente, para las condiciones de campo homogéneo, la carga
inducida tiene un comportamiento lineal frente a variaciones de campo eléctrico [9], lo
que se extiende a la tensión entregada por el equipo. Sin embargo, dependiendo la
ubicación del equipo dentro de las placas paralelas dispuestas para campo eléctrico
homogéneo, y también de la presencia de una carcasa metálica o de ventanas de
inducción, el campo eléctrico aplicado no será perfectamente homogéneo, por lo que
habrá que apoyarse en simulaciones de campo para ver el comportamiento específico
de éste en algunos casos y calcular los factores de corrección que sean pertinentes [9].
Al no disponer de otro equipo del tipo MCE ya calibrado, para utilizar como guía o patrón,
se utilizarán los valores teóricos de campo eléctrico entre las placas de aluminio según
el nivel de tensión aplicado por la fuente de tensión y la separación escogida de las
placas.
52
Para la calibración del equipo se espera una relación lineal entre la tensión de salida
entregada por el equipo y el campo eléctrico aplicado, relación que se ve durante el
proceso de calibración del equipo MCE-UN en “Estudio de las tormentas eléctricas a
través del campo eléctrico ambiental, D.Aranguren 2006” [9] para determinar el factor 𝑘0
del molino:
𝒌𝟎 =𝑽𝒑𝒆𝒂𝒌
𝑬 (4.1)
Para la calibración de MCE-UN, se determinó su valor de relación entre tensión y campo
eléctrico (4.1). Para su cálculo se escogió el valor peak de la tensión de salida [9],
nomenclatura que se adoptará para esta guía. Los niveles de tensión aplicados variaron
entre los 0[kV] y 11.5[kV] en ambas polaridades, con una separación de 0.575[m] para
lograr un rango de campo eléctrico aplicado entre -20[kV/m] y +20[kV/m].
Esta metodología de graficar tensión de salida versus intensidad de campo eléctrico fue
utilizada también para calibrar los 7 molinos de campo eléctrico de la red Campo Grande,
Mato Grosso do Sul en Brasil [30] y los molinos de la red de Navarra, España [18].
Sobre el lugar para efectuar la calibración del equipo desarrollado en este trabajo, se
recomienda utilizar la cabina blindada del laboratorio de alta tensión, con el cuidado de
que esté libre de elementos metálicos de tamaño considerable en un rango de 2[m] a su
alrededor. Esto es para tener un alto grado de aislación y evitar aportes y/o distorsiones
al campo eléctrico ambiente producto de los otros equipos y tableros energizados en las
dependencias del laboratorio (especialmente si se están realizando otras pruebas
simultaneas).
4.1.2 Estructura de calibración:
Para la calibración del equipo, se diseñó una estructura desmontable completamente de
madera, libre de piezas metálicas, uniones o soldaduras para reducir a un máximo la
distorsión del campo eléctrico y así evitar que se pierda su característica homogénea.
La estructura fue diseñada con el fin de soportar 2 placas de aluminio formando una
configuración de placas del tipo condensador de placas paralelas, obteniendo así un
campo eléctrico homogéneo en el punto medio entre ellas y así poder utilizar la expresión
(4.2) de campo eléctrico en un condensador de placas paralelas para calcular el campo
eléctrico incidente en el molino [31].
𝜟𝑽 = 𝑬𝒅 (4.2)
Donde 𝜟𝑽 es la diferencia de potencial entre las placas y 𝒅 es la separación de las placas
paralelas que conforman el condensador.
53
La MCE a calibrar estará ubicada en el punto medio entre estas placas, para recibir un
campo eléctrico lo más homogéneo posible durante la calibración. La estructura dispone
de múltiples soportes horizontales de madera en los cuales irán ubicadas las placas de
aluminio. Estos soportes cuentan con una separación de 10[cm] a lo largo de un metro
de altura, con lo que se obtiene un grado de libertad adicional para controlar la magnitud
del campo eléctrico al variar la separación de las placas paralelas.
Al utilizar un motor para hacer rotar la hélice del sensor y las piezas del eje, se producirán
vibraciones considerables que podrían ocasionar esfuerzos problemáticos en la
estructura o que el mismo sensor pierda adherencia al soporte. Tomando esto en cuenta,
se incorporan capas de goma espuma a los lugares de contacto con tal de absorber
dichas vibraciones y evitar que se propaguen dentro de la estructura hacia las placas y/o
que la estructura colapse por su rigidez mecánica.
En la siguiente tabla se encuentran indicados los detalles del diseño junto a las
dimensiones y componentes de la estructura para la calibración:
Tabla 4.1: Dimensiones de estructura de calibración.
Dimensiones
Alto [cm] 160
Ancho [cm] 61
Ancho con fijaciones [cm] 65
Profundidad [cm] 60
Número de ranuras [-] 11
Alto de ranuras [cm] 4
Largo soportes [cm] 52
Grosor goma [cm] 0.3
Para suspender el sensor en el punto medio, se utiliza otro soporte desmontable
compuesto de 2 barras rectangulares de madera con unas salientes hechas también de
madera cubiertas por goma (figura 4.1). El sensor reposará sobre estas salientes, esto
de diseña así para tener la menor cantidad de material que pueda provocar
perturbaciones en el campo eléctrico al energizar las placas. Este nuevo soporte se
empotra en la estructura por medio de la presión causada por la goma espuma y las
cuñas a la altura que se necesite ubicar el sensor como se muestra en la figura 4.2.
54
Figura 4.1: Estructura de calibración con placas de aluminio montadas.
Figura 4.2: Montaje completo de estructura de calibración, con motor Molino UTFSM2 encendido.
55
4.2 Procedimiento de Calibración
El procedimiento de calibración del equipo se resume en los siguientes pasos
recomendados:
1. Preparación del terreno para montaje de la estación de calibración. Limpieza y
despeje de materiales metálicos que se encuentren en la proximidad (2[m]).
2. Armado estación de calibración.
3. Ajuste de altura.
4. Posicionamiento de placas para campo eléctrico homogéneo.
5. Montar equipo en estación de calibración.
6. Prueba de rigidez de la estructura, encender molino de campo por 30[s] y apagar
tras chequear la integridad de la estructura.
7. Revisar que el cableado de energización de placas, alimentación de motor, y de
medición no estén suspendidos o en contacto entre ellos.
8. Registro de condiciones ambientales previo a energizar. (Temperatura, humedad,
msnm).
9. Encendido de equipos y registro de valores iniciales.
10. Aumento de tensión aplicada y cálculo de nuevo campo eléctrico teórico aplicado.
Registro de Vmax y Vrms leídos por osciloscopio. (Recomendado 5 puntos
mínimo, mientras más puntos se tendrá una recta más confiable).
11. Repetir paso 10 para polaridad invertida.
12. Apagar equipos de alimentación y la MCE, utilizar una pértiga para descargar los
componentes metálicos antes de desmontar.
13. Construir gráfico de Tensión de salida [V] v/s Campo eléctrico Aplicado. (Tensión
de salida puede ser valor RMS o peak)
14. Determinar el factor o relación entre Vmax (o Vrms según se haya escogido en el
punto 13) y campo eléctrico teórico aplicado. (Al esperar una relación lineal, esta
relación corresponde a la pendiente de la recta, en caso contrario encontrar una
función que las relacione).
15. Determinación de factores de corrección según sitio de instalación.
56
4.3 Factores de corrección
Como se mencionó anteriormente, las expresiones para determinar la carga inducida en
las placas receptoras se pueden utilizar bajo condiciones de campo eléctrico ambiental
homogéneo. En la práctica, la misma presencia de elementos metálicos, como soportes
de instalación, cables de alimentación, contribuirán a la distorsión del campo eléctrico,
significando que este no será homogéneo en todo el espacio, arriesgando que no se
cumpla la homogeneidad de este en las proximidades del molino de campo.
Por esto es necesario determinar factores de corrección, los cuales, al ser aplicados a la
relación de tensión de salida y campo eléctrico aplicado, tomarán en cuenta los efectos
de las distorsiones en las lecturas del equipo. Para el cálculo de estos factores es
necesaria la ayuda de software que simulan la distribución de campo eléctrico, como por
ejemplo el software Phet o FEM [9].
4.3.1 Carcasa y/o Ventanas
Primero se debe terminar un factor de corrección por la distorsión gracias a la carcasa y
ventanas del molino, se realizan simulaciones de campo eléctrico, incorporando el diseño
del equipo calibrado e incluyendo sus ventanas de inducción o carcasa dependiendo el
caso [9].
Se calcula la carga inducida sin carcasa (4.3)
𝑸𝒔𝒊𝒏 𝒄𝒂𝒓𝒄𝒂𝒔𝒂 = 𝒏𝜺𝟎𝑬𝑨 (4.3)
y luego con carcasa (4.4)
𝑸𝒄𝒐𝒏 𝒄𝒂𝒓𝒄𝒂𝒔𝒂 = 𝒏∫𝜺𝟎𝑬𝒅𝑨
𝑨
(4.4)
y se determina el factor 𝐾1(4.5) a partir de los resultados anteriores.
𝑲𝟏 =𝑸𝒄𝒐𝒏 𝒄𝒂𝒓𝒄𝒂𝒔𝒂
𝑸𝒔𝒊𝒏 𝒄𝒂𝒓𝒄𝒂𝒔𝒂 (4.5)
Para (4.5), si las ventanas de inducción tienen la misma área que los receptores y estas
se encuentran muy cercanas a éstas, el valor de campo en las ventanas de inducción
será el mismo que en las placas receptoras y el factor de corrección tendría valor 1.
57
4.3.2 Elementos de instalación y edificación
Para la determinación de estos factores de corrección, se deben realizar simulaciones
del mismo tipo que para la determinación del factor para carcasa y/o ventanas, sin
embargo, ahora se deberán incluir los elementos próximos al lugar de instalación, como
tubos, cañerías, estructuras y curvaturas del lugar de instalación [9].
Se recomienda utilizar en las simulaciones valores de campo de 1[kV/m] al ver
distribución de campo eléctrico [9] y con esto determinar 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 para estos valores de
campo utilizando la expresión integral. Primero se realiza una simulación con los
elementos de instalación, ubicados a la altura correspondiente, pero sin la presencia de
las edificaciones y se determina su factor de corrección [9] (4.6):
𝑲𝒊𝒏𝒔𝒕𝒂𝒍𝒂𝒄𝒊𝒐𝒏 =𝑸𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍′
𝑸𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 (4.6)
Se fija un punto en la simulación, lo más cercano posible al molino, donde el campo
ambiente no esté distorsionado (que tenga valor de 1[kV/m]) [9]. Se realiza después una
segunda simulación incluyendo las edificaciones y se registra el valor del campo eléctrico
en el punto escogido con anterioridad. Se determina el factor de corrección debido a las
estructuras como:
𝑲𝒆 =𝑬𝟐
𝑬𝟏 (4.7)
Donde en (4.7), E2 es el campo ambiente con edificaciones y E1 el campo ambiente sin
edificaciones. Ambos factores se pueden combinar en un factor único de corrección:
𝑲𝒕 = 𝑲𝒆𝑲𝒊𝒏𝒔𝒕𝒂𝒍𝒂𝒄𝒊ó𝒏 (4.8)
De esta forma la constante del molino corregida es:
𝑲𝟎′[𝑽
𝑽/𝒎] =
𝑽𝒑𝒆𝒂𝒌
𝑬𝒂𝒎𝒃𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆= 𝑲𝟎𝑲𝟏𝑲𝒕 (4.9)
Entonces al ver la lectura Vpeak del equipo, el campo relacionado se determina
despejando para 𝑬𝒂𝒎𝒃𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 (4.10)
𝑬𝒂𝒎𝒃𝒊𝒆𝒏𝒕𝒆 =𝑽𝒑𝒆𝒂𝒌
𝑲𝟎𝑲𝟏𝑲𝒕[𝑽
𝒎] (4.10)
58
Capítulo 5 : Redes de detección de tormentas y
rayos.
5.1 Redes de Detección basadas en molinos de campo
Las redes de detección de rayos implementadas en el mundo no son sólo a base de
molinos de campo eléctrico, en ciertas regiones o países favorecen otros tipos de
sensores (antenas VHF, VLF/LF, SAFIR) más enfocados a la detección y localización,
operando en conjunto con molinos de campo para obtener una información más
completa. Según la norma europea IEC62305 [23] las tecnologías de detección se
dividen en las siguientes clases
Clase I: Sistemas que detectan una tormenta en todo su ciclo de vida. Sensores de tipo
molinos de campo eléctrico.
Clase II: Sistemas que detectan actividad de rayos intranube y nube-tierra (Actividad
total de rayos, sistemas VHF, VLF/LF, SAFIR).
Clase III: Sistemas que detectan únicamente actividad de rayos nube-tierra.
A continuación, se presentan redes de detección en el mundo basadas en estas
tecnologías.
5.2 Red de molinos KSC/CCAFS, Florida, Estados Unidos.
5.2.1 Descripción
Es la red de molinos principal más grande por área comprendida y número de molinos
instalados con 31 molinos (34 instalados, 31 en operación) [8][32], también es la red que
ha estado más tiempo en funcionamiento con cerca de 45 años de mediciones continuas,
permitiendo tener los parámetros de nubes de tormenta más importantes utilizados en el
mundo [9].
La figura 5.1 ilustra la disposición de las estaciones de medición al año 1978 durante
estudios realizados en 1989. La figura 5.2 muestra mapas actualizados al año 2000 y
2014 de la distribución de los molinos de campo eléctrico.
59
Figura 5.1: Ubicación de los sitios de instalación para molinos de campo en KSC 1978 [21].
Figura 5.2: Esquema de Red de molinos de campo al año 2000. Actualización de ubicación al año 2014 [8][32].
60
5.2.2 Sistema de detección de rayos.
El KSC/CCAFS cuenta con un sistema de alarma denominado “Launch Pad Lightning
Warning System” (LPLWS) [33] que junto al sistema de vigilancia de descargas nube-
tierra adjunto, proveen a las instalaciones información sobre la actividad eléctrica para el
día y semana.
El sistema está compuesto por 31 molinos de campo distribuidos uniformemente por el
KSC y el Cabo Cañaveral. Se utilizan como sistema de monitoreo y advertencia
informando sobre conglomeraciones de nubes cargadas o de la cercanía de estas al área
comprendida por la red. El sistema de detección identifica y ubica las descargas en 3
dimensiones utilizando el algoritmo de tiempo de llegada (Time of Arrival, TOA) producto
de las señales recibidas por 7 antenas [33]. Cada líder de rayo envía un pulso el cual es
recibido a una frecuencia de 66[MHz] por el sistema. Al conocer la velocidad de la luz y
la ubicación de cada sensor que haya participado en la captación de la señal, se
determina la posición del líder con una precisión de hasta 100[m] en cada dimensión [33].
Los molinos utilizados se denominan “Advanced Ground Based Field Mill” (AGBFM,
molinos de campo avanzados ubicados en tierra) y miden la intensidad de campo
eléctrico ambiental como en la figura 5.3, informando a los centros de predicción sobre
el movimiento de cargas, el potencial eléctrico y también sobre la presencia de nubes
altamente cargadas capaces de producir una descarga atmosférica natural [34]. Los
datos también son muy valiosos para detectar electrificación temprana de tormentas y la
probabilidad de rayos durante maniobras de despegue.
Figura 5.3: Registros de campo eléctrico frente a una gran tormenta eléctrica los días 16 y 17 de junio, 1975 [34].
61
En la figura 5.3, las flechas en la base del gráfico indican el inicio y final de las fases de
rayos activa y las líneas punteadas las fases de oscilación al término de la tormenta. La
instalación de las unidades AGBFM, al igual que los molinos de campo convencionales,
se realiza de forma invertida con las placas receptoras y hélices apuntando hacia abajo
como lo muestra la figura 5.4. Se utiliza un trípode invertido para darle estabilidad
mecánica y resistir movimientos horizontales y verticales, esto por los frecuentes vientos
y huracanes que azotan a la zona [33]. Estos equipos incorporan un microprocesador, el
cual sirve para comandos de prueba y autocalibración, control de los datos de campo
eléctrico para la transmisión al centro receptor y regular la adquisición de datos de forma
que la totalidad de los datos de LPLWS estén sincronizados [32].
Figura 5.4: Equipos ABFGM utilizados en red de detección KSC [33].
El sistema de vigilancia de rayos nube-tierra se encarga de detectar y localizar este tipo
de descargas hasta 96.56[km] (60 [mill]). La Radiación electromagnética emitida por los
rayos es detectada por el buscador en 6 direcciones del sistema y antenas utilizando
nuevamente el algoritmo ToA a las señales captadas. La ubicación exacta de los rayos
se calcula por triangulaciones con la participación del mayor número de sensores
posibles [33], cuando se detectan los centros de cargas activos, los organismos
predictores del clima pueden decir con más facilidad los lugares de ocurrencia esperados
para las siguientes descargas.
Cada molino detecta la intensidad del campo utilizando placas receptoras de acero
inoxidable, las cuales son bloqueadas y expuestas al campo eléctrico por acción de un
rotor conectado a tierra. Los datos son obtenidos a una frecuencia de 50[Hz] y con una
sensibilidad mínima de 4[𝑉
𝑚], el rango de valores de campo que son capaces de medir
está entre los +/−32[𝑘𝑉
𝑚] siendo los valores máximos correspondientes a tormentas
eléctricas intensas.
62
Los molinos de esta red no se encuentran muy alejados unos de otros, en promedio los
molinos directamente contiguos están a 4.3[km] de separación (mediciones
aproximadas, hechas a escala), solo 3 conjuntos de molinos contiguos superan los 6[km]
de separación, siendo esto entre las estaciones 7-2 (6,4[km]), 25-33 (6,02[km]) y 21-26
(6,71[km]) [17][32].
5.2.3 Alarma frente a alta probabilidad de Descargas Atmosféricas
KSC cuenta con una política de advertencia en 2 fases [33], la fase 1 inicia cuando hay
una predicción de rayo dentro de un rango de 5 millas náuticas (9.26[km]). Se dan 30
minutos después de esta primera advertencia para que el personal que se encuentra en
áreas desprotegidas tenga tiempo suficiente para buscar refugio. Los funcionarios que
estén en tareas sensibles frente a rayos tendrán tiempo para asegurar y proteger las
operaciones de manera ordenada.
La fase 2 se advierte cuando la descarga atmosférica es inminente o está ocurriendo
dentro de 5 millas del lugar predicho. Todas las operaciones sensibles o que se vieran
afectadas por la ocurrencia del rayo deben terminar operaciones hasta que se levante la
advertencia de fase 2.
Este sistema de 2 fases permite dar un tiempo adecuado para cesar actividades
sensibles mientras que las no sensibles puedes seguir funcionando más lentamente y
con más precauciones hasta la ocurrencia de la descarga. Al ser de vital importancia
reportar cualquier posible peligro de descarga, muchas de estas suelen terminar en
falsas alarmas (detección de alta probabilidad de rayo, pero sin ocurrencia de descarga
en los siguientes 30 minutos, junto con disminución en la actividad eléctrica) lo que se
traduce en una tasa de falsas alarmas (FAR) del 40% al año 2006 [33]. Al año 2008 se
ha complementado esta FAR con un arreglo de sensores para determinar el estado de
las naves y transbordadores para confirmar si fueron alcanzados por alguna descarga.
Además de estos sistemas, los lugares de trabajo en terreno, edificios, estaciones de
despegue, están equipados con pararrayos y sistemas de puesta a tierra para maximizar
la seguridad de equipos y del personal en caso de que ocurra una descarga directa.
Hasta el año 2006 ningún trabajador del KSA/CCAFS ha resultado herido producto de la
acción de un rayo, las estaciones de despegue y lanzamiento para cohetes y naves
espaciales en promedio son víctimas de rayos unas 5 veces por año en promedio [33].
Ningún transbordador espacial se ha visto en riesgo de rayos durante despegue, aunque
sí se han pospuesto despegues durante días de alta actividad eléctrica y riesgo de
descargas.
63
5.3 Red de molinos LINET en Navarra, España
La red de detección en Navarra cuenta con 11 molinos de campo eléctrico cuyas
características se muestran en la tabla 5.1, estos se encuentran distribuidos por
diferentes parques eólicos, la finalidad de esta red es realizar predicciones de tormentas
eléctricas para alarma y toma de medidas preventivas para la protección de estos
parques [18].
Tabla 5.1: Parámetros de molinos de campo en red Navarra [18].
Tipo de molino
Cantidad |Rango [kV/m]
Señal de salida [V]
Velocidad de rotación [RPM]
A 9 150 5 3200
B 1 212 5 300 (obturación alternada)
C 1 102 5 1650
Debido a las características de los lugares de instalación (cimas montañosas, techos de
subestaciones cercanos a antenas y aerogeneradores), las estaciones de medida
tendrán un error de sitio y por topografía a diferencia de la instalación “ideal” que se ve
en KSC (zona plana y sin elementos distorsionadores a los alrededores). 2 sensores se
encuentran instalados en zona plana a una altura de 420 [msnm] mientras que el resto
se encuentran en alturas desde los 750 [msnm] hasta 1110[msnm] en zonas montañosas
[18].
Figura 5.5: Mapa de red en Navarra e instalación de molino de campo en muro [18].
Las mayores separaciones aproximadas entre estaciones contiguas, después de una
medición a escala en base a la figura 5.5, son las estaciones 10-11 (62[km]), 10-8
(53[km]) y 6-11 (38[km]). La distancia menor es la comprendida entre las estaciones 3-2
(5[km]) [18].
64
5.4 Redes en Colombia
Colombia se encuentra ubicada en zona tropical, ésta se distingue por mayores niveles
de actividad eléctrica atmosférica en el mundo. Junto con Venezuela, son los países con
más actividad de rayos, siendo la zona de mayor actividad la comprendida entre la región
andina colombiana y el lago Maracaibo. Solo durante los años 2010 y 2013 se reportaron
119 fallecidos y 291 heridos por efecto de rayos [35].
Cada año en Colombia se reportan más de 14 millones de descargas, lo que lleva a tener
una gran data e información sobre rayos para estudios climatológicos y de análisis de
rayos a nivel mundial [35]. Para la recopilación y procesamiento de estos datos, Colombia
cuenta con una red de detección basada en antenas de LINET y la red de molinos de
campo eléctrico de la ciudad de Bogotá.
5.4.1 Red de molinos de Bogotá
Esta red de molinos cuenta con 5 estaciones de medición las cuales alcanzan a cubrir
alrededor del 60% del área urbana de Bogotá (unos 196[𝑘𝑚2], figura 5.6), los molinos
utilizados corresponden a los molinos MCE-UN expuestos en el capítulo 2.
Las ubicaciones para la instalación de los equipos se hicieron bajo criterios de que el
campo electrostático durante tormenta puede ser detectado a una distancia no mayor a
20[km] [9], esto producto de que la magnitud del campo bajo la nube disminuye mientras
más alejado este el punto de observación. Se escogieron 5 estaciones debido el número
de parámetros desconocidos para el modelo utilizado (mínimos cuadrados) y para
brindar más precisión al realizar más mediciones simultáneas. Ubicar los molinos a
diferentes distancias unos de otros permiten la diferenciación entre descarga nube-tierra
e intranube [9].
Figura 5.6: Red de molinos de Bogotá, en rojo: Área de operación de red [9].
65
La distancia de separación mínima entre estaciones es 5980[m] entre las estaciones de
la Universidad Nacional y Barrios Unidos mientras que la separación máxima es de
17050[m] entre las estaciones de Fontibón y Usaquén [9].
En base a la figura 5.6 se realizó una medición a escala para obtener las separaciones
aproximadas entre cada una de las estaciones de medida (tabla 5.2).
Tabla 5.2: Separación aproximada entre estaciones (medición a escala).
Separación entre estaciones [km]
Fontibón Suba 8,5
Fontibón Usaquén 17
Fontibón B. Unidos 10
Fontibón U. Nacional 7
Suba Usaquén 8,8
Suba B. Unidos 8,5
Suba U. Nacional 10,1
Usaquén B. Unidos 7,1
Usaquén U. Nacional 12
B. Unidos U. Nacional 5
La Instalación de molinos, fue realizada en techos de casas y edificios al no encontrar
espacios abiertos sin elementos que distorsionen las mediciones: Se evitaron lugares
con presencia de antenas o geometrías muy complejas para las simulaciones de
calibración. Los lugares de instalación finalmente fueron: techos planos, techos
inclinados y en una pared a varios metros de altura, como muestra la figura 5.7. Los
molinos reposan ventanas abajo suspendidos por un tubo de aluminio en forma de L
invertida, el cual en su interior lleva los cables de alimentación y señal [9].
Figura 5.7: Instalación de molinos en red de Bogotá. Estaciones Fontibón, Usaquén y Universidad Nacional [9].
66
5.5 Estudios de interés en base a datos de redes Bogotá y Navarra.
Los principales estudios a partir de los datos entregados por estas redes apuntan a
analizar la estructura eléctrica de la nube de tormenta [9][18], caracterizar la carga
asociada con descargas intranube y nube-tierra [9] y evaluar la eficacia de la aplicación
de molinos como sistemas de alerta de tormenta [14][18].
El análisis de datos provenientes de un gran número de sensores y episodios de
tormentas en distintos lugares permitió determinar que las distribuciones de variación de
campo eléctrico contra distancia son suficientes para conocer el patrón de
comportamiento de un sensor en específico [18].
Para el sensor en Bogotá, el análisis de los datos permitió desarrollar una primera
distribución patrón en Colombia. Las principales características de dicha distribución es
que se hace para zona tropical y en condiciones de terreno plano a altura considerable
sobre el nivel del mar (2600 msnm), lo que la convierte en la principal referencia para ser
usada en sensores instalados en Colombia [9].
Se logró evaluar la incidencia en la Probabilidad de Detección (POD) y Tasa de Falsas
Alarmas (FAR) al aumentar el umbral de campo eléctrico entre 0.1 y 3 [kV/m] (nivel de
campo eléctrico para la activación de la alarma) [18] resultados ilustrados en la figura
5.8, encontrando que disminuye el total de alarmas generadas y de falsas alarmas.
Figura 5.8: Comparación de criterios de generación de alarmas por umbral de campo y cambio de polaridad [18].
67
Por otro lado, para alarmas en base a primer cambio de polaridad (activación de alarma
frente a detección de cambio de polaridad en el campo eléctrico) se ven un poco menos
de alarmas totales y mayores alarmas efectivas [18], resultando en una probabilidad de
detección de 47% para cambio de polaridad y un 37.5% para caso umbral de 1[kV/m]
[18]. La tasa de falsas alarmas también presenta diferencias entre los criterios, siendo
un 78% para cambio de polaridad y un 87% para umbral de 1[kV/m] [18].
Dentro de otras conclusiones alcanzadas por los estudios, destacan los criterios para
que un sensor de campo electrostático pueda ser ajustado e implementado en
aplicaciones como un sistema de alerta de tormentas [14][18]. Las características a
cumplir por los sensores según el estudio son:
• Resolución de digitalización alta con un mínimo de 14Bits.
• MCE de tipo invertido.
• Sistema de localización de rayos de alta eficiencia y capaz de discriminar el tipo
de carga con alta confiabilidad.
68
5.6 Red de Campo Grande, Mato Grosso do Sul, Brasil.
Esta red está compuesta por 7 molinos de campo eléctrico ubicados en la ciudad de
Campo Grande, Brasil, como muestra la figura 5.9. Estos molinos se encuentran
sincronizados con 4 cámaras de video ubicadas dentro del área abarcada por los molinos
para tener registro visual de las tormentas eléctricas y de las descargas atmosféricas
[30]. La red es operada por el Laboratorio de Ciencias Atmosféricas del Instituto de Física
de la Universidad Federal de Mato Grosso do Sul. Cada molino cuenta con su propio
sistema electrónico para amplificación de señal, rectificador, filtro, buffer, convertidor y
comunicación RS-232.
Figura 5.9: Distribución de molinos de campo para red de Campo Grande [30].
La calibración de estos equipos se realizó utilizando el mismo método descrito en el
capítulo 4 de este trabajo. Los datos son transmitidos por radiotransmisores utilizando
Raspberrys Pi acopladas al receptor, evitando el uso de computadores. Esta red
aprovecha las ventajas de los molinos de campo por sobre las antenas sensoras, las
cuales son la capacidad de detectar actividad eléctrica débil durante la formación de las
tormentas y la utilización de varias estaciones sensoras para programar alarmas y/o
alertas más efectivas en caso de actividad peligrosa.
Dentro de los estudios principales a los que esta red ha aportado, destaca “First Analysis
of electric field mill network measurements from 2013 to 2015” por Lacerda M. et al [30],
donde participaron 3 sensores de la red: 002-INFI, 006-Quimica, 007-Waldeir.
Con los datos obtenidos se analizaron diversas tormentas en la ciudad de Campo Grande
y se caracterizó el comportamiento del campo eléctrico en condiciones de buen tiempo
(sin tormentas, “fair weather”) [34]. Dentro de los análisis de tormenta, se identificaron 4
distintos niveles de peligrosidad durante una tormenta presentados en la tabla 5.3 e
ilustrados en la figura 5.10:
69
Tabla 5.3: Niveles de peligrosidad para tormentas [30].
Figura 5.10: Gráfico de campo eléctrico durante tormenta en Campo Grande 22 octubre 2013 [30].
La figura 5.11 nos muestra el detalle del comportamiento del campo eléctrico a los cuales
se les asignaron los niveles presentados anteriormente. El nivel 1 se caracteriza por un
campo eléctrico prácticamente homogéneo sin oscilaciones muy grandes. Durante el
nivel 2 se identifican aumentos de carga en las nubes y concentración de estas. En el
nivel 3 terminado el aumento de carga en las nubes se esperan descargas eléctricas
inminentes. El nivel 4 es el periodo donde las descargas eléctricas ya han comenzado y
hay un peligro alto [30].
Otros resultados obtenidos mediante el análisis de los datos proporcionados por esta red
fueron la construcción de curvas de Carnegie en condiciones de buen tiempo (variación
diaria de electricidad o potencial eléctrico atmosférico) [36], encontrando un periodo de
oscilación de 12 horas en el comportamiento, atribuido a variaciones de presión por
movimientos atmosféricos y a interacciones entre atmosfera e ionosfera [34].
Comparando las duraciones de los niveles 2 y 3 para distintas tormentas, se estimó que
una alerta efectiva puede hacerse entre 10 y 20 minutos antes del comienzo de la primera
descarga [30], significando que, dada la alarma, se dispondrían de 10 a 20 minutos para
buscar refugio adecuado similar al sistema de alarmas implementado en Kennedy Space
Center [33].
70
Capítulo 6 Conclusiones
La medición y monitoreo del campo eléctrico ambiente ha superado el paso del
tiempo y sigue siendo una de las formas más prácticas y fiables para el seguimiento de
tormentas eléctricas, especialmente con la incorporación de nuevas tecnologías con
mayor precisión, menor consumo de potencia y facilidad en su mantenimiento. Su uso
entrega datos en tiempo real de la magnitud de campo eléctrico ambiental y sus
variaciones, pudiendo identificar descargas atmosféricas de acuerdo a la magnitud de
las variaciones en cortos periodos de tiempo.
La revisión de diferentes tecnologías utilizadas para el diseño de los equipos de
medición de campo eléctrico ambiental muestra que existe una amplia variedad de
opciones en cuanto al diseño, esto provee a los usuarios gran flexibilidad desde el punto
de vista constructivo. Si se tienen los equipos y herramientas adecuadas para la
construcción de MEFMs de apantallamiento térmico o de membrana, estos pueden ser
desarrollados para una mayor precisión a la hora de realizar las mediciones. La opción
más simple en cuanto a diseño y funcionamiento son los derivados de los primeros
molinos de campo, con principio de funcionamiento en base a la rotación de una placa
apantalladora por medio de un motor.
En el presente trabajo se desarrolló un primer equipo, que, si bien no entregó los
resultados esperados, sirvió como herramienta de estudio para el caso. El fin de este
equipo era evitar las complicaciones de alta potencia consumida y mantenimiento
constante, por lo que se optó por no utilizar un motor, sino componentes electrónicos
para realizar la conmutación. Sin embargo, la propuesta de apantallamiento electrónico
no dio los resultados esperados. Se presume que, al no haber un apantallamiento físico,
las placas receptoras siempre estarán con carga inducida y no se introducía
correctamente la alternancia deseada en la señal entregada, independiente del estado
de conducción de los MOSFETs.
La complejidad en la construcción de un molino de campo radica en la obtención
de los materiales y el tratamiento de estos según el diseño a implementar (como sucedió
con el corte del cobre en este trabajo). Se pueden utilizar motores pequeños y piezas de
acero para la construcción de hélices y/o receptores e implementar múltiples receptores
de menor tamaño como lo visto en el diseño del sensor Boltek o utilizar ventanas de
inducción para tener un equipo de mayor sensibilidad. Por otro lado, el proceso de
calibración si bien no es complejo, es muy delicado en cuanto a las condiciones
ambientales, tanto de clima como de objetos próximos que puedan interferir y requiere
alta precisión en el manejo de los equipos de medición.
71
La metodología de calibración presentada en este trabajo, basada principalmente
en los trabajos del Dr. Aranguren, busca proveer mediciones campo eléctrico capaces
de ser comparadas con resultados de distintos equipos en distintas regiones. Para esto
la determinación de los factores de corrección pertinentes, según los lugares de
instalación y edificaciones (en caso de no poderse evitar) es de vital importancia y el no
calcularlos afectaría la capacidad de comparación de los datos con otras regiones, pero
proveería información útil en cuanto al comportamiento del campo localmente. La
estructura de calibración construida para este trabajo puede utilizarse para calibración
de próximos equipos, aprovechando su capacidad de amortiguamiento y separación
ajustable de sus placas, también puede ser utilizada como generador de campo eléctrico
homogéneo para futuras experiencias de laboratorio mientras las placas de aluminio no
se encuentren a una separación mayor a su propio largo.
El molino de campo eléctrico construido en este trabajo, en su estado actual y
basado en las pruebas preliminares hechas en laboratorio, puede aportar y proveer de
información valiosa sobre el comportamiento del campo eléctrico ambiental y sus
variaciones durante el día o incluso mostrar el impacto de la energización de diferentes
equipos en el campo eléctrico, así como información sobre descargas eléctricas
atmosféricas o descargas producidas por los equipos de alta tensión del laboratorio
(doblador de Greinach o generador de Marx). Sin embargo, para obtención de datos en
intervalos largos de tiempo, deberá realizarse la calibración pertinente e incorporación
de la carcasa, elementos para comunicación con PC y electrónica para acondicionar la
señal para comparación con datos de otras redes.
El equipo construido sigue la línea de molinos de campo eléctrico convencionales,
utilizando una hélice de 3 aspas junto con 3 placas receptoras de cobre para aumentar
el área efectiva expuesta a campo eléctrico durante el apantallamiento. La estructura
base que sostiene el conjunto de motor, eje, receptores y hélice fue construida de madera
para evitar la distorsión y concentraciones del campo eléctrico incidente, por esta misma
razón se aterriza el motor y la placa de aluminio que sostiene a los receptores (por medio
de un acrílico). Sus dimensiones, 120[mm] de alto y 145[mm] tanto de largo como ancho,
permiten una fácil instalación e implementación, la velocidad de rotación está dentro de
los rangos de operación vistos en otros diseños del mismo estilo, produciendo señales
legibles en osciloscopio sin necesidad de amplificación electrónica. La alimentación del
equipo se hace mediante una conexión directa a la red de 220[V], 50[Hz].
72
Utilizando este mismo principio de funcionamiento es posible desarrollar una
alternativa tipo molino de campo de mano para medición inmediata “in situ”, con motores
de baja potencia, partes móviles de tamaño reducido y energizado a partir de baterías
recargables, siendo una correcta calibración y procesamiento de señal el mayor desafío
para esta opción. Si bien con esta tecnología no se podría realizar localización y/o
detección de tormentas o descargas atmosféricas, su utilidad radica en la medición
instantánea de la magnitud del campo eléctrico ambiente en el lugar deseado.
Con un monitoreo continuo con un molino de campo en la región, se tendrá la
capacidad de identificar anomalías climáticas como alta presencia de nubes de tormenta
y actividad eléctrica. Al complementarse con más estaciones de medición en distintas
partes de la región se expandirá el alcance de detección y se posibilitaría la localización
de estas y de posibles descargas atmosféricas mediante métodos de procesamiento de
datos como Time of Arrival y mínimos cuadrados.
Este nivel de detección y análisis abre las puertas a estudios específicos sobre el
clima y actividad eléctrica, posibilitando la construcción de mapas regionales y/o
nacionales de niveles de campo eléctrico en condiciones de buen tiempo y en presencia
de tormentas, nivel ceraunico, densidad de rayos, probabilidad de rayos, identificación
del tipo de descargas y la caracterización eléctrica de los lugres geográficos dentro del
rango de la red de detección. Finalmente, al determinar si hay zonas específicas dentro
del país/región de mayor actividad eléctrica, permitirá proveer de elementos de seguridad
adicional para una mayor confiabilidad de servicios y resguardo de la población al tener
sistemas de alarma en tiempo real, generando nuevos y mejores protocolos de
seguridad.
73
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77
Anexos
Anexo A: Formación y electrificación de las nubes de tormenta
La etapa de cúmulo o formación se caracteriza por la presencia de corrientes
ascendentes de aire cálido y húmedo, cuando el aire húmedo llega a lugares con
temperaturas bajas, el vapor de agua se condensa, apareciendo gotas de agua y hielo
[10].
Figura A.1: Esquema de nube en etapa de Cúmulo, flechas amarillas: Corriente de aire cálido [37].
Luego, cuando estas gotas y cristales alcanzan el tamaño suficiente, se entra a la etapa
de maduración, donde estas partículas descienden en medio de las corrientes
ascendentes y durante el trayecto hacia abajo ocurren colisiones y roces con otras
partículas provocando intercambios de carga eléctrica estática [10].
Figura A.2: Esquema de nube en maduración (Altura 12,2[km]). Línea azul: frente de aire frío [37].
78
La etapa de disipación se alcanza cuando terminan las corrientes de aire ascendentes,
la nube se enfría producto de las corrientes de aire frío y la electrificación se detiene.
Luego la nube presenta descargas eléctricas entre sus distintas zonas cargadas
neutralizando un poco las cargas eléctricas dentro de esta [10].
Figura A.3: Esquema de nube en disipación [37].
Dentro de las 3 fases de formación (Cúmulo, maduración y disipación), 5 períodos con
actividad eléctrica distinta ocurren dentro de la nube [9]:
Figura A.4: Electrificación de una nube de tormenta en el tiempo [9].
79
Periodo I: etapa de cúmulo, primeros instantes de formación de la nube. Actividad
eléctrica nula.
Periodo II: madurez, comienza la formación de los centros de carga. El campo eléctrico
dentro de la nube en este momento no es suficiente como para provocar descargas
eléctricas.
Periodo III: se siguen concentrando cargas eléctricas, comienzan las descargas
intranube con hasta 75 ocurrencias por minuto. Con estas descargas consecutivas, las
cargas eléctricas se trasladan dentro de la nube formando los centros de carga
definitivamente.
Periodo IV: comienzan las descargas a tierra cuando hay suficiente carga en la base de
la nube, ocurrencias de hasta 5 por minuto.
Periodo V: disipación, descargas tanto intranube como nube tierra finales antes de
cesar, el campo eléctrico disminuye producto de la estabilización de las cargas dentro
de la nube.
80
Anexo B: El Campo Eléctrico
El concepto de campo eléctrico fue introducido por Michael Faraday (1791-1867). Se dice
que existe un campo eléctrico en la región del espacio que rodea a un objeto cargado
eléctricamente (conocido como carga fuente). Cuando otro objeto cargado entra en el
campo eléctrico del primer objeto, una fuerza eléctrica actúa sobre estos.
Se define el vector de campo eléctrico en un punto del espacio como la fuerza eléctrica
que actúa sobre una carga de prueba “q0” ubicada en ese punto (B.1), dividida en la
carga de prueba [38].
�⃗⃗� = �⃗⃗� 𝒆𝒒𝟎
[𝑵
𝑪] ó [
𝑽
𝒎] (B.1)
Tomando en cuenta la ley de Coulomb, se puede reescribir la expresión del campo
eléctrico como (B.2):
�⃗⃗� = 𝒌𝒆
𝒒
𝒓𝟐�̂� (B.2)
Donde 𝒌𝒆 es la constante de coulomb, 𝒒 es la carga eléctrica de la carga fuente, 𝒓 es la
distancia entre la carga fuente y el punto donde se quiere conocer el valor del campo
eléctrico y �̂� es el vector unitario de 𝒓 que señala la dirección del vector. Para una carga
puntual aislada, sus líneas de campo son líneas rectas radiales que salen de la carga, y
el sentido del vector de campo está determinado por el signo de la carga fuente, si esta
es positiva las líneas salen de la carga, y si esta es negativa, las líneas de campo apuntan
hacia la carga como lo ilustra la figura B.1.
Figura B.1: Esquema de líneas de campo saliendo de la carga (positiva) y entrando a ella (negativa) [38].
81
Cuando se quiere conocer el campo eléctrico causado por una distribución continua de
cargas eléctricas, hay 2 principales formas de lograrlo. Una es utilizar la expresión (B.2)
y descomponiendo la distribución de cargas en cargas diferenciales e integrando en el
espacio conformado por el cuerpo cargado [39], llegando a la forma (B.3):
�⃗⃗� = 𝒌𝒆 ∫𝒅𝒒
𝒓𝟐�̂�
(B.3)
Sin embargo, si se conoce exactamente la geometría del cuerpo y se pueden aprovechar
sus simetrías geométricas, la ley de Gauss (B.4) [38][39] permite conocer su campo
eléctrico. La ley de Gauss relaciona el flujo eléctrico a través de una región del espacio
con la carga encerrada por la superficie escogida para la integral:
𝜱𝒆 = ∮ �⃗⃗� 𝒅�⃗⃗�
=𝒒𝒊𝒏
𝒆𝟎 (B.4)
Donde 𝜱𝒆es el flujo eléctrico del volumen utilizado, 𝑑𝐴 es el diferencial de área del objeto,
𝑞𝑖𝑛 es la carga encerrada por el volumen utilizado y 𝜖0es la permitividad eléctrica del
vacío. Aprovechando las simetrías de la superficie en cuestión, se puede determinar que
el campo eléctrico será homogéneo y permitiría reescribir la ecuación anterior en:
𝑬∮𝒅�⃗⃗�
=𝒒𝒊𝒏
𝒆𝟎 (B.5)
De esta forma se puede determinar el campo eléctrico en base a la geometría del
volumen de prueba utilizado y el flujo eléctrico en la zona que abarca [39].
Figura B.2: Aplicación de un volumen de prueba (superficie Gaussiana) a una placa cargada [39].
82
La figura B.2 nos muestra el caso de una placa infinita con una densidad de carga
superficial positiva dentro de un campo eléctrico homogéneo, se selecciona como
volumen de prueba un cilindro que contiene una parte de la placa infinita cargada. Para
este caso al aplicar la ecuación (B.5) y desarrollar las integrales que componen la integral
cerrada del flujo [39], se obtienen las siguientes integrales de superficie:
𝜱𝒆 = ∫ �⃗⃗� ⋅ 𝒅�⃗⃗�
𝒎𝒂𝒏𝒕𝒐 +∫ �⃗⃗� ⋅ 𝒅�⃗⃗�
𝑩𝒂𝒔𝒆 𝒊𝒏𝒇 +∫ �⃗⃗� ⋅ 𝒅�⃗⃗�
𝑩𝒂𝒔𝒆 𝒔𝒖𝒑 (B.6)
Al ser la superficie del manto perpendicular al vector normal del campo eléctrico, el
producto punto de esta integral se anula, por otra parte, como las 2 bases del cilindro
son iguales y el módulo del campo es el mismo en ambos lados de la superficie, las
integrales de las bases se simplifican [39] quedando la expresión:
𝜱𝒆 = 𝟐∫ �⃗⃗� ⋅ 𝒅�⃗⃗�
𝑩𝒂𝒔𝒆 (B.7)
𝜱𝒆 = 𝟐𝑬𝑨 = 𝒒
𝒆𝟎 (B.8)
Reemplazando la carga encerrada por el cilindro se llega a la fórmula para campo
eléctrico de una placa infinita (B.9):
𝑬 = 𝝈
𝟐𝒆𝟎
(B.9)
Donde 𝜎 es la densidad superficial de carga de la placa infinita.
83
Anexo C: Ficha técnica motor utilizado
Figura C.1: Ficha técnica motor EBM.
84
Anexo D: Guía de montaje para estructura de calibración
1. Separar las piezas de soporte rectangulares (4) con las piezas de soporte para
las placas (2, A y B) e identificar sus sentidos mediante las rotulaciones de letras
A, B y su sentido de ubicación según las flechas ↑ 𝒚 ↓ rotuladas.
2. Ubicar en el suelo las 2 piezas de soporte con las flechas ↓ con el extremo rotulado
A a la derecha y el lado B a la izquierda.
3. Tomar las piezas de soporte para placas y encajar la pieza A en los 2 soportes
bases por sus extremos A de arriba hacia abajo. Repetir para el soporte para
placas B.
4. Sosteniendo ambos soportes para placas en su lugar, tomar los 2 soportes
rectangulares restantes (con flecha ↑) y encajar de arriba hacia abajo nuevamente
alineando sus extremos A y B con los soportes de placas correspondientes.
5. En los soportes para placas, buscar los lados con perforaciones e instalar los
soportes en cruz desde la parte superior derecha de uno de los soportes hasta la
inferior izquierda y repetir para el segundo soporte. Estos soportes son una
medida de seguridad adicional en contra de vibraciones.
6. Montar las placas de aluminio a la altura deseada asegurándose que haya espacio
entre ellas para ubicar el soporte de calibración de la MCE.
7. Instalar los soportes C (forma de C) a la misma altura, en cada uno de los soportes
para placa de aluminio, luego ubicar los soportes de calibración y apretar con el
uso de cuñas de madera.
En este punto la estructura de calibración está armada, se recomienda corroborar la
rigidez de la estructura y que no haya piezas sueltas. Se recomienda también hacer una
prueba de resistencia a vibración utilizando la misma MCE a calibrar, ubicándola en los
soportes de calibración y encendiendo el motor, sin energizar las placas de aluminio ni
conectar los electrodos para medir la señal de esta.
