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Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
1
VALIDACION Y PERFECCIONAMIENTO DE UN ANEMOMETRO ULTRASONICO
ANDREA CAROLINA CORDOBA ARENAS
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá, D.C.
2004
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
2
VALIDACION Y PERFECCIONAMIENTO DE UN ANEMOMETRO ULTRASONICO
ANDREA CAROLINA CORDOBA ARENAS
Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniero Mecánico
Asesores
ALVARO PINILLA Ingeniero Mecánico, MSc, Phd
MAURICIO GUERRERO HURTADO
Ingeniero Eléctrico, MSc .
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá, D.C.
2004
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
3
Bogota D.C, Enero 2005
Doctor
Álvaro Pinilla
Director de departamento Ingeniería Mecánica
Facultad de Ingeniería
Universidad de los Andes
Ciudad
Respetado Director:
Presento a su consideración el documento de grado “Validación y Perfeccionamiento de un
Anemómetro Ultrasónico ’’, realizado durante el segundo semestre del 2004, por Andrea
Carolina Córdoba Arenas, como requisito parcial para optar por el titulo de Ingeniero
Mecánico.
Cordialmente,
Álvaro Pinilla
Asesor
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
4
Bogota D.C, Enero 2005
Doctor
Álvaro Pinilla
Director de departamento Ingeniería Mecánica
Facultad de Ingeniería
Universidad de los Andes
Ciudad
Respetado Director:
Presento a su consideración el informe de proyecto del grado “Validación y
perfeccionamiento de un anemómetro Ultrasónico”, realizado durante el primer semestre
del 2004, como requisito parcial para optar por el titulo de Ingeniero Mecánico.
Cordialmente,
Andrea Carolina Córdoba Arenas
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
5
A mis Padres
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
6
AGRADECIMIENTOS
A mis asesores Álvaro Pinilla y Mauricio Guerrero, por compartir sus valiosas opiniones y consejos en el momento oportuno. Por su confianza y comprensión.
A Gustavo Noriega por su invaluable y desinteresada colaboración a lo largo de todo el
proyecto.
Al personal del Laboratorio de Ingeniería Mecánica por la colaboración y cariño que me brindaron en todo momento.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
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VALIDACION Y PERFECCIONAMIENTO DE UN ANEMOMETRO ULTRASONICO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA Bogotá D.C.
2004
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
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CONTENIDO Pag.
0. INTRODUCCIÓN 14
1. ESTUDIO PREELIMINAR 16
1.1 Teoría de la medición de la velocidad del viento por ultrasonido 16
1.2 Sensores de Temperatura - Estudio y Selección 18
1.3 Sensores de Presión -Estudio y Selección 21
1.4 Transductores ultrasónicos - Estudio y Selección 22
2. DISEÑO DE LA SOLUCIÓN 26
2.1 PROTOTIPO INICIAL 26
2.1.1 Pruebas Experimentales 26
2.1.2 Estructura Física 28
2.1.3 Implementación Electrónica - Software y Hardware 29
2.2 PROTOTIPO PROPUESTO 30
2.2.1 Diseño electrónico: Arquitectura 31
2.2.2 Diseño físico: Estructura 33
3. IMPLEMENTACIÓN 35
3.1 Hardware 35
3.1.1 Control 35
3.1.2 Generador de señal 36
3.1.3 Contador de tiempo 36
3.1.4 Acondicionamiento de Señal 36
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
9
3.1.4.1 Señales desde y hacia las cápsulas Ultrasónicas 37
3.1.4.2 Señales de los sensores 38
3.1.4.2.1 Acondicionamiento Análogo 39
3.1.4.2.2 ADC 39
3.1.5 RTC 39
3.1.6 Almacenamiento de Datos 40
3.1.7 Interfaz con el computador 41
3.2 Software 42
3.2.1 Anemómetro 42
3.2.1.1 Manejó de Periféricos 45
3.2.1.1 .1 RTC 45
3.2.1.1.2 Comunicaciones 46
3.2.1.1.3 Calibración 47
3.2.1.2 Memoria 47
3.2.2 Interfaz con el Usuario (Software PC) 48
3.2.2.1 Flujo general de datos 48
3.2.2.1.1 Bloque Inicio Toma de medidas 49
3.2.2.1.2 Bloque Fin Toma de medidas 49
3.2.2.1.3 Calibración Norte-Sur 49
3.2.2.1.4 Calibración Oeste-Este 49
3.2.2.1.5 Descarga y borrado de memoria. 49
3.2.2.1.6 Ver reporte en Excel de la descarga o modo “real time” 50
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
10
3.2.2.1.7 Actualizar Hora 50
3.2.2.1.8 Toma de Datos de referencia 51
4. RESULTADOS EXPERIMENTALES 52
4.1 Pruebas realizadas con las diferentes capsulas ultrasónicas 52
4.2 Protocolo de medición en el túnel de viento 53
4.3 Prototipo Propuesto 57
4.3.1 Conclusiones 67
5. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS 69
6. BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS 72
Anexo A: Hoja de Datos 75
Anexo B: Planos Eléctricos 76
Anexo C: Planos Mecánicos 79
Anexo D: Hoja de Datos MPX5700 85
Anexo E: Hoja de Datos LM35 87
Anexo F: Los primeros 113 datos de la figura 48 88
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Comparación de Transductores de Temperatura 20
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Esquema del montaje de los sensores Ultrasónicos 17
Figura 2. Sensores RTD para diferentes Aplicaciones [16] 18
Figura 3. Termistores [16] 18
Figura 4. Termocupla [16] 19
Figura 5. Termómetros Bi-Metálicos de uso Industrial [16] 19
Figura 6. Diferentes tipos de tubo de Bourdon 21
Figura 7. (a)Transductor de presión de fuelle, (b) transductor de presión de diafragma 22
Figura 8.Curvas de Dispersión Angular y Comportamiento en frecuencia
Capsulas 40T-10AW [16] 23
Figura 9.Curvas de Dispersión Angular y Comportamiento en frecuencia Capsulas 40CA-
18SC [16] 23
Figura 10.Capsulas utilizadas en los prototipos desarrollados en 2003-1 (Grandes) y 2004-
1 (Pequeñas) 24
Figura 11. Capsula 40CA-18SC (Izquierda), Capsula 40T-10AW (Derecha, (a)), Capsulas
de Alarmas Ultra (Derecha, (b)), Capsulas Adquiridas en Sigma Electrónica (Derecha, (c)).
12. Mapa de velocidades prototipo 2004-01 26
Figura 13. Relación de dirección (2,3 -2,5 m/s) Prototipo 2004-01 27
Figura 14. Relación de dirección (5,7 -6,1 m/s) Prototipo 2004-01 27
Figura 15. Relación de dirección (9 -9,5 m/s) Prototipo 2004-01 27
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
12
Figura 16. Relación de dirección (5,7- 6,1 m/s) Prototipo 2004-01 27
Figura 17. Relación de dirección (11,7-13 m/s) Prototipo 2004-01 27
Figura 18. Relación de dirección (14,7-15 m/s) Prototipo 2004-01 27
Figura 19. Prototipo Inicial propuesto durante el semestre 2004-1 28
Figura 20. Arquitectura General 32
Figura 21. Arquitectura del Bloque de Sensores 33
Figura 22. (a) Isométrico del Anemómetro realizado en Solid Edge (b) Estructura
Anemómetro 34
Figura 23. Acondicionamiento análogo de las señales hacia las cápsulas 37
Figura 24. Acondicionamiento análogo de las señales desde las cápsulas 38
Figura 25. Diagrama del flujo general del software del Anemómetro 43
Figura 26. Diagrama de Flujo del Modo Toma de medidas 45
Figura 27. Tabla de registros RTC DS1306 [10] 46
Figura 28. Protocolo de Comunicaciones 46
Figura 29. Diagrama General del flujo de datos de la interfaz de usuario (PC,PDA) 48
Figura 30.Trama enviada para actualización RTC 50
Figura 31. Túnel de Viento TVIM 460-30-3.6 Con las bases de Madera 54
Figura 32. Túnel de Viento TVIM 460-30-3.6Con las nuevas bases de acero estructural 55
Figura 33 .Montaje para la validación del prototipo 56
Figura 34. Especificaciones del Anemómetro de Hilo Caliente EXTECH [19] 56
Figura 35. Mapa de velocidades 57
Figura 36. Mapa de velocidades (2,2 – 2,4 m/s) Prototipo final 58
Figura 37. Mapa de velocidades (5,2 – 5,5 m/s) Prototipo final 58
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
13
Figura 38. Mapa de velocidades (8,4 – 8,9 m/s) Prototipo final 59
Figura 39. Mapa de velocidades (11,4 – 11,9 m/s) Prototipo final 59
Figura 40. Mapa de velocidades (12,5 – 13,1 m/s) 59
Figura 41. Relación de dirección (2,2 – 2,4 m/s) 60
Figura 42. Relación de dirección (5,2 – 5,5 m/s) 60
Figura 43. Relación de dirección (8,4 – 8,9 m/s) 60
Figura 44. Relación de dirección (11,4 – 11,8 m/s) 60
Figura 45. Relación de dirección (12,5 – 13 m-s) 61
Figura 46. Mapa de velocidades (11,4 – 11,9 m/s) Todos los ángulos de incidencia 62
Figura 47. Mapa de velocidades (5,2 – 5,5 m/s) Todos los ángulos de incidencia 62
Figura 48. Mapa de velocidades (8,4 – 8,9 m/s) Todos los ángulos de incidencia 62
Figura 49. Mapa de velocidades (11,4 – 11,8m/s) Todos los ángulos de incidencia 62
Figura 50.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a
(2,2- 2.4 m/s) 63
Figura 51.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a
(5,2- 5.5 m/s) 64
Figura 52.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a
(8,4- 8,9 m/s) 64
Figura 53.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a
(11,4- 11,8 m/s) 65
Figura 54. % Error respecto a la banda de medición del Hilo Caliente vs. Angulo de
incidencia 66
Figura 55. Graficas de Temperatura y Presión Absoluta vs. Tiempo a diferentes velocidades
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
14
0. INTRODUCCIÓN
En la actualidad se está viendo la necesidad e importancia del uso de energías renovables y
el viento es una de ellas. En los últimos años se han desarrollado generadores eólicos con
una alta eficiencia, lo que hace al viento una muy buena opción para generar energía
eléctrica. Para el desarrollo de este tipo de proyectos es necesario realizar estudios previos
del recurso eólico. Los anemómetros ultrasónicos presentan grandes ventajas frente a los
demás instrumentos de este tipo ya que no tienen partes móviles, su precisión es alta,
además presentan en forma digital tanto la magnitud como la dirección de la velocidad,
permitiendo el fácil almacenamiento, procesamiento y análisis de los datos obtenidos, lo
que los convierte en la mejor opción para este tipo de aplicaciones. Este tipo de
anemómetro es utilizado también en la medición de la turbulencia atmosférica.
[1],[2],[3],[5],[6].
Este proyecto tiene sus bases en los trabajos previos sobre el estudio, diseño y validación
de anemómetros ultrasónicos [1],[2],[3],[6] y el desarrollo de sistemas electrónicos de
adquisición de datos [4]. Por un lado se perfeccionó y adaptó la arquitectura propuesta para
la tarjeta de adquisición de acuerdo con las necesidades del anemómetro manteniendo
cierto nivel de flexibilidad. Se validó y perfeccionó también el instrumento propuesto en
el estudio[1] , se revisó de nuevo la teoría de medición, se perfeccionó a nivel electrónico
su implementación y se integró con una tarjeta de almacenamiento y adquisición de datos.
Por otra parte se desarrolló una estructura en aluminio y ABS para el instrumento de
medición, la cual minimiza sus efectos sobre el viento incidente.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
15
En este proyecto se llega a un prototipo preindustrial de un anemómetro ultrasónico que
satisface los requerimientos funcionales y las restricciones físicas, eléctricas y ambientales,
que cuenta con una memoria para almacenar los datos de la velocidad del viento, su
dirección, la temperatura y presión del ambiente, además de la fecha y hora en que fueron
adquiridos, con capacidad para almacenar los datos durante 2 años y medio tomando
información cada 1s, y con la flexibilidad de poder cambiar este intervalo de muestreo. Se
llegó a estos requerimientos después de realizar una investigación sobre anemómetros y sus
aplicaciones con el fin de cubrir las necesidades del mercado. Además el instrumento
cuenta con una interfaz con un PC por el puerto USB o serial y de esta manera con
cualquier dispositivo que cuente con alguno de ellos, por ejemplo una Calculadora o
cualquier PDA. Como el instrumento cuenta con comunicación serial vía RS232 le
permite al usuario la posibilidad de integrar el instrumento fácilmente a una red celular y
de esta forma hacer la comunicación con el instrumento vía inalámbrica. También éste
cuenta con un software básico para el análisis de los datos y programación de diferentes
modos de operación deseados en el instrumento.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
16
1. ESTUDIO PRELIMINAR
Para llegar a la propuesta del nuevo prototipo se realizo un trabajo previo, el cual incluyó
un estudio de la teoría de medición del viento por tiempo de vuelo, búsqueda de
información sobre los anemómetros que se consiguen actualmente en el mercado y sus
ventajas y desventajas entre sus geometrías y procesamiento de señal, familiarización con
los trabajos y prototipos propuestos en semestres anteriores y en particular con el prototipo
desarrollado en el semestre 2004-01 [4] del cual se parte en este proyecto.
1.1 Teoría de la medición de la velocidad del viento por ultrasonido
El funcionamiento del anemómetro se basa en la naturaleza de las ondas ultrasónicas, las
cuales tienen un comportamiento físico igual al sonido. Sabemos que la velocidad del
sonido depende del medio en que se transporta, en este caso el viento. Si ponemos dos
traductores ultrasónicos N y S a una distancia conocida d, medimos el tiempo que tarda de
llegar la onda de N a S y también de S a N, podemos saber la velocidad del viento en la
dirección de la línea que pasa por los dos transductores en esta caso la dirección NS, ahora
si trazamos una línea perpendicular a ésta, ponemos otros dos transductores E, W y
repetimos el proceso de toma de tiempos (ver figura 1. Esquema del Montaje de los
sensores Ultrasónicos), tendremos el vector velocidad en el plano que contiene a estas dos
líneas. Si ponemos lo anterior en términos de ecuaciones tenemos lo siguiente:
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
17
VientodelVelocidadVSonidodelVelocidadc
resTransductoentreciaDisdcontraenTiempotfavoraTiempotdonde
Vcdt
Vcdt
v
c
f
vc
vf
∴
∴∴
∴
∴
−=
+=
tan
,
De los dos tiempos tomados anteriormente para cada pareja de transductores uno es de la
onda viajando a favor y otro en contra del viento. Si manipulamos las dos ecuaciones
anteriores llegamos a que la velocidad del viento es:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
cfv tt
dV 112
Esta ecuación no depende de la velocidad del sonido y de esta forma no depende de la
temperatura del medio.
Figura 1. Esquema del montaje de los sensores Ultrasónicos
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
18
1.2 Sensores de Temperatura – Estudio y Selección
Los transductores de temperatura se basan principalmente en los siguientes principios
físicos: la expansión térmica de los metales, dentro de esta categoría se encuentra el
termómetro de mercurio, el termómetro bi-metálico (ver Figura 5.) y el termómetro de
presión, el cambio de resistencia eléctrica de los metales con la temperatura, principio
gracias al cual funcionan los RTD (ver figura 2.), el cambio de la resistencia eléctrica de
los semiconductores con la temperatura, el cual rige a los Termistores (ver figura 4), la
termoelectricidad, que es el principio descubierto por Seebeck, el cual dice que una
corriente fluye en forma continua a través de un circuito cerrado formado por dos metales
distintos si las juntas están a temperaturas distintas, gracias al cual funcionan las
termocuplas (ver figura 3), y por ultimo tenemos los transductores de ”Circuito integrado”,
los cuales se basan en que si dos transistores trabajan a tasas constantes entonces la
diferencia entre los voltajes de base emitido por ambos será lineal y directamente
proporcional a la temperatura.
Figura 2. Sensores RTD para diferentes Aplicaciones [16].
Figura 3. Termistores [16].
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
19
Figura 4. Termocupla [16].
Figura 5. Termómetros Bi-Metálicos de uso Industrial [16].
En cuanto a la expansión con la que se tiene el termómetro de mercurio, el bi-metálico y el
de presión, por el tipo de salida del primero, la respuesta no lineal del segundo y el tamaño
del tercero, éstos son inapropiados para la aplicación. Se estudiaron más a fondo los tipos
de transductores utilizados para la finalidad deseada, tomando como criterios de selección
la linealidad de su respuesta, rango de operación, resistencia al medio ambiente, costo,
además de las ventajas y desventajas particulares de cada uno de ellos (ver Tabla 1). Los
RTD, cuyo funcionamiento se basa en el cambio de resistencia de los metales con la
temperatura, presentan un rango de operación que cubre el de la aplicación, necesitan un
circuito linealizador, sufren de auto-calentamiento y son de alto costo. El Termistor, cuyo
principio de funcionamiento es el cambio de la resistencia de los semiconductores con la
temperatura es más sensitivo que el RTD, su rango es apropiado, su respuesta es no lineal,
sufre de auto-calentamiento, presenta bajo costo y son bastante frágiles. Las Termocuplas
se basan en el principio de la termoelectricidad, existen de varios tipos dependiendo de los
materiales usados en su fabricación, su rango de operación es amplio, pueden trabajar en
ambientes corrosivos y húmedos, no son muy precisos, su respuesta es no lineal, son de
bajo costo. Y por último los transductores de Circuito Integrado, los cuales se basan en que
si dos transistores trabajan a tasas constantes entonces la diferencia entre los voltajes de
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
20
base emitido por ambos será lineal. Este voltaje puede ser convertido a corriente por medio
de un resistor, la cual resulta linealmente proporcional a la temperatura, lo que es una fuerte
ventaja frente a los demás, ya que el acondicionamiento de la señal es bastante sencillo. Su
desventaja es que trabajan en rangos estrechos de temperatura pero en nuestro caso esto no
es un problema (-20 a 120 grados C es el rango necesario), además son de bajo costo.
Después de estudiar los diferentes traductores de temperatura se encontró que los más
apropiados son los de Circuito Integrado. Se compararon los diferentes fabricantes y
referencias del tipo transductor seleccionado (Circuito Integrado), y se llegó a la selección
del LM35 fabricado por National Semiconductors, ya que éste tiene un el rango de
operación apropiado (-55 y 120 grados C), respuesta lineal de 10mV por Grado Centígrado,
además de una precisión de 0.75 grados centígrados, es de fácil adquisición en el país y
además de bajo costo.
Tabla 1. Comparación de Transductores de Temperatura
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
21
1.3 Sensores de Presión- Estudio y Selección
En general los transductores utilizados en este tipo de aplicaciones son electromecánicos, es
decir su funcionamiento se basa en una combinación de fenómenos mecánicos y eléctricos.
Utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera
la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bordón,
espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos, que a través de un
sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico
(ver Figuras 6 y 7.). Los transductores de presión se clasifican según su tipo de
funcionamiento en resistivos, magnéticos, capacitivos, extensiométricos, piezoeléctricos y
piezo-resistivos.
Para el rango de presiones a trabajar (Del orden de la presión Atmosférica) y debido a la
linealidad de su respuesta se encontró que el transductor piezo-resistivo en una muy buena
opción para la aplicación. Se decidió trabajar con la referencia MPX5700GP fabricado por
Motorola el cual mide presión absoluta en un rango de (0 a 700 kPa), tiene una respuesta
lineal y es el más apropiado para este tipo de aplicaciones.
Figura 6. Diferentes tipos de tubo de Bourdon
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
22
Figura 7. (a)Transductor de presión de fuelle, (b) transductor de presión de diafragma
1.4 Transductores ultrasónicos- Estudio y Selección
El principio de funcionamiento de los transductores ultrasónicos es el efecto piezoeléctrico
(cristales asimétricos como el cuarzo y la sal Rochelle (Tartrato de Sodio Potasio) generan
una carga eléctrica cuando se les aplica una presión, e inversamente, se obtienen
vibraciones mecánicas al aplicar oscilaciones eléctricas a estos mismos).
Las variables que se debe tener en cuenta para la selección de los transductores ultrasónicos
para este tipo de aplicación son: la geometría del sensor, ya que éste afecta el flujo del
viento al que se le va a medir la velocidad. Es de vital importancia que el tamaño de las
cápsulas ultrasónicas sea muy pequeño. Debido a que este tipo de transductores responde
como un sistema de segundo orden, otro parámetro importante es el tiempo de
levantamiento y asentamiento de la cápsula, ya que éstos van a limitar la frecuencia de
muestreo a la que puede operar el anemómetro y la cual se desea que sea lo más alta
posible. Por otro lado tenemos el ancho de banda de la cápsula, se busca que éste sea muy
pequeño, ya que gracias a ello la cápsula se excitará solo con frecuencias muy cercanas a la
frecuencia de oscilación, lo cual hará que ésta actúe como un muy buen filtro del ruido
mecánico del ambiente y así se logrará que el anemómetro sea más robusto. Otros
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
23
parámetros son el ángulo de dispersión angular y la sensitividad del transductor. Además
como el anemómetro trabaja en el medio ambiente es necesario que resista las condiciones
climáticas.
Figura 8. Curvas de Dispersión Angular y Comportamiento en frecuencia Capsulas 40T-10AW [16].
Figura 9. Curvas de Dispersión Angular y Comportamiento en frecuencia Capsulas 40CA-18SC [16].
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
24
Después de hacer una minuciosa investigación sobre los diferentes transductores
ultrasónicos fabricados actualmente, sus ventajas, desventajas y costos, se llegó a la
conclusión de que las fábricas más apropiadas son APC y Massa, por su experiencia en
productos piezoeléctricos, calidad y costos. Se estableció comunicación con ambas firmas
contándoles sobre el proyecto, y APC nos colaboró con dos parejas de sensores 40CA-
18SC (Transmisor-Receptor, diseñadas para trabajar en medio ambiente, diámetro 18mm),
2 parejas 40R-10AW (Receptores, encapsulado metálico, diámetro 9,8mm), 2 parejas 40T-
10AW (Transmisores, encapsulado metálico, diámetro 9,8mm), 2 parejas 40R-10P
(Receptores, encapsulado de Plástico, diámetro 9,8mm), 2 parejas 40T-10P (Transmisores,
encapsulado de plástico, diámetro 9,8mm), los cuales tienen una frecuencia de operación
de 40 KHz; estas referencias fueron escogidas por ser las más apropiados para la aplicación
teniendo en cuenta los parámetros anteriormente mencionados . Se adquirieron en Sigma
Electrónica, Colombia, unas cápsulas de 14 mm y con la misma frecuencia de resonancia
pero de menor calidad, las cuales tienen un ancho de banda de 10 KHz y menor
sensibilidad, ésto con el fin de comparar su desempeño y determinar la necesidad real de la
utilización de cápsulas más finas y por ende más costosas.
Figura 10. Capsulas utilizadas en los prototipos desarrollados en 2003-1 (Grandes) y 2004-
1 (Pequeñas).
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
25
Figura 11. Capsula 40CA-18SC (Izquierda), Capsula 40T-10AW (Derecha, (a)), Capsulas de Alarmas Ultra (Derecha, (b)), Capsulas Adquiridas en Sigma Electrónica (Derecha, (c)).
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
26
2 DISEÑO DE LA SOLUCIÓN
2.1 PROTOTIPO INICIAL
A continuación se describirá el prototipo propuesto durante el semestre 2004-01 y el cual
es el punto de partida de este proyecto.
2.1.1 Pruebas Experimentales
Las pruebas experimentales realizadas sobre este prototipo siguen el protocolo de
mediciones descrito en la sección 3.2. Solo se llevo a cabo la primera fase experimental de
dos explicadas en detalle allí, esta primera parte consiste en hacer incidir el viento sobre el
instrumento en direcciones conocidas para así verificar la adecuada lectura tanto de la
magnitud como de la velocidad. Los resultados obtenidos se muestran a continuación.
Mapa de Velocidades
-12
-9
-6
-3
0
3
6
9
12
-12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12
Velocidad Oeste - Este (ms)
Vel
ocid
ad N
orte
- Su
r (m
s)
2,3 - 2,5 m s5,7 - 6,1 m s9 - 9,5 m s11,7 - 13 m s14,7 - 15,1 m s
Figura 12. Mapa de velocidades prototipo 2004-01
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
27
Relación de dirección (2,3 - 2,5 m/s)
y = 0,9977xR2 = 0,9993
0
4590
135180
225
270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360Angulo de incide ncia Re al (° )
Ang
ulo
Med
ido
por
el
An
emóm
etro
Ultr
asón
ico
Figura 13. Relación de dirección (2,3 -2,5 m/s)
Prototipo 2004-01
Relación de dirección (5,7 - 6,1 m/s)
y = 0,9964xR2 = -0,6837
045
90
135
180225
270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360Angulo de incidencia R eal (°)
Ang
ulo
Med
ido
por
el
An
emó
met
ro U
ltras
óni
c o
Figura 14. Relación de dirección (5,7 -6,1 m/s)
Prototipo 2004-01
Relación de dirección (9 - 9,5 m/s)
y = 0,9942xR2 = 0,9985
045
90
135180
225270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360Angulo de incidencia Real (°)
Ang
ulo
Med
ido
por
el
An
emóm
etro
Ultr
asón
ico
Figura 15. Relación de dirección (9 -9,5 m-s)
Prototipo 2004-01
Relación de dirección (5,7 - 6,1 m/s)
y = 0,9964xR2 = -0,6837
045
90
135
180225
270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360Angulo de incidencia R eal (°)
Ang
ulo
Med
ido
por
el
An
emó
met
ro U
ltras
óni
co
Figura 16. Relación de dirección (5,7- 6,1 m-s)
Prototipo 2004-01
Relación de dirección (11,7 - 3 m/s)
y = 0,9945xR2 = -0,6798
045
90
135
180
225
270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360Angulo de incidencia Re al (°)
Ang
ulo
Med
ido
por
el
Ane
móm
etro
Ult
rasó
nic
o
Figura 17. Relación de dirección (11,7-13 m-s)
Prototipo 2004-01
Relación de dirección (14,7 - 15,4 m/s)
y = 0,2297xR2 = -0,4769
045
90
135
180
225
270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360Angulo de incidencia R eal (°)
An
gulo
Med
ido
por e
l A
nem
ómet
ro U
ltra
són
ico
Figura 18. Relación de dirección (14,7-15 m-s)
Prototipo 2004-01
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
28
Como puede verse en Figura 14 la atenuación en la lectura de la velocidad se ve
drásticamente disminuida cuando el viento incide directamente sobre las capsulas. Los
resultados mostrados en las Figuras 13 a 18 nos muestran que la lectura del ángulo es
relativamente buena.
Con este prototipo se obtienen resultados muy aceptables pero queda aún por solucionar
varios problemas que se mencionan en los dos numerales siguientes.
2.1.2 Estructura Física
Figura 19. Prototipo Inicial propuesto durante el semestre 2004-1
La estructura en la cual se encontraban los transductores ultrasónicos fue diseñada con
ayuda de Solid Edge e impresa en la impresora 3D marca Dimension, modelo SST. Esta
hecha en ABS .El aporte más importante de esta estructura es la base donde se encuentran
los soportes de los transductores, la cual permite el desplazamiento entre cápsulas de una
forma fácil y precisa. Posee varias desventajas en cuanto a la geometría de los soportes de
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
29
las cápsulas. Por un lado, estos no son simétricos, es decir al área de sección transversal no
es igual a lo largo del soporte, y afectan de forma fuerte el viento dependiendo del ángulo
de incidencia de este sobre el instrumento; por otro lado su forma reduce el tamaño del
volumen de control y no permite que el fluido se pueda reestablecer antes de tomar los
tiempos de vuelo, en otras palabras el viento en el volumen de control es un flujo turbulento
y desordenado.
Aunque el avance que se ha realizado hasta ahora en cuento a la reducción del tamaño de la
cápsulas ultrasónicas y su calidad ha sido significativo, se pueden encontrar en el mercado
cápsulas de menor tamaño y de respuesta en tiempo y en frecuencia mucho mejores para la
aplicación y garantizados por el fabricante a precios asequibles.
Las transductores con que cuenta este prototipo son cápsulas ultrasónicas utilizadas en las
alarmas marca Ultra, no se conocen las especificaciones del fabricante y su
comportamiento tanto en tiempo como en frecuencia obtenidos experimentalmente no son
los mas apropiados ya que no están diseñadas para este tipo de aplicación.
2.1.3 Implementación Electrónica Software y Hardware
Como el anemómetro se encuentra en fase experimental, hasta el momento la prioridad era
validar la teoría de medición y perfeccionar la estructura que soporta las cápsulas
ultrasónicas. El prototipo del cual se partió recibe la orden de toma de datos a través de una
calculadora HP 48G vía serial, el anemómetro devuelve los 4 tiempos de vuelo para que la
calculadora realice los cálculos necesarios para llegar a la magnitud y dirección de la
velocidad del viento. La generación de señal, el control de las cápsulas, el conteo del
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
30
tiempo y el manejo de la comunicación es realizado por el PIC16F877A, microcontrolador
fabricado por Microchip. El switcheo de las cápsulas es realizado por el circuito integrado
ADG511 fabricado por Analog Devices. El procesamiento de la señal de 40 kHz que va
hacia las cápsulas consiste en una amplificación para volver la señal cuadrada de 0-5V que
viene del microcontrolador en una señal de la misma frecuencia pero de -5-+5V, esta
amplificación se hace utilizando un comparador de voltaje con referencia 2.5 V
implementado con operacionales LF353. Por último el procesamiento de la señal
proveniente de las cápsulas consiste en una amplificación con una configuración Smith
Triguer, la cual sirve a su vez como un “filtro” de ruido eléctrico de alta frecuencia
utilizando operacionales LF353. Este prototipo no cuenta con almacenamiento de memoria.
La interfaz de usuario a través de la calculadora HP48G es poco amigable y no facilita el
almacenamiento y procesamiento de los datos. Este prototipo solo cuenta con interfaz por el
puerto serial.
2.2 PROTOTIPO PROPUESTO
Los avances a que se ha llegado con los prototipos propuestos hasta el momento han sido
muy importantes ya que en ellos se ha podido probar que la teoría de medición por tiempo
de vuelo utilizando ondas ultrasónicas da muy buenos resultados en la obtención de la
velocidad del viento. De la lectura y análisis de los trabajos anteriores se han podido
identificar las variables que influyen en la exactitud y precisión de la medida de la
velocidad del viento, como lo son la geometría del soporte de las cápsulas y el tamaño de
las mismas para la exactitud y la respuesta en tiempo de las cápsulas y la resolución del
contador de tiempo para la precisión. Analizando las pruebas experimentales de los
diferentes prototipos se empezó a intuir que la estructura que soporta los transductores
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
31
afecta de manera proporcional al ángulo de incidencia de la velocidad del viento, es decir
existe una constante menor que 1 que multiplica a la velocidad real, esta constante es
función del ángulo de incidencia del viento en el anemómetro. Este fenómeno se hizo más
evidente en el prototipo propuesto en el semestre 2004-1 por la geometría asimétrica del
mismo. Para comprobar que este fenómeno era real y no casualidad como parte del
desarrollo de este proyecto, se realizo una investigación en la literatura sobre el tema y se
encontró que este fenómeno se presenta en todos los anemómetros ultrasónicos y que
depende de la geometría del mismo, además que hallando estas constantes
experimentalmente y utilizándolas como factores de corrección es una de las formas de
calibración que se utiliza en los anemómetros comerciales [6].
2.2.1 Diseño electrónico: Arquitectura
Una vez definidos los requerimientos del prototipo con base en una investigación realizada
sobre Anemómetros comerciales y sus ‘‘dataloggers’’, se planteó una arquitectura general
para el sistema, muy similar a las de este tipo de instrumentos, es decir los sensores con
almacenamiento de datos. Como se puede ver en la Figura 20 las entradas al sistema son el
ambiente (viento, temperatura, presión) y por otro lado el modo de operación,
mencionados anteriormente, que es el deseado por el usuario en el instrumento. El sistema
toma 9 datos de las variables deseadas, en este caso los tiempos de vuelo, la temperatura,
presión, saca la media de estos datos y los almacena junto con la fecha y hora en que fueron
adquiridos. Espera el tiempo determinado por el usuario para el siguiente muestreo y repite
el proceso, todo esto estando siempre abierto por si el usuario quiere cambiar el modo de
operación o leer los datos de memoria para que estos sean procesados.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
32
Figura 20. Arquitectura General
Si se mira la arquitectura del bloque de sensores (ver Figura 21) se tiene como entrada las
señales provenientes de los transductores ultrasónicos, de presión y temperatura, además
del modo de operación en el que se encuentra. Como salidas se tienen las señales que
excitan a los transductores, los tiempos de vuelo y los valores digitales de la temperatura y
la presión.
Este bloque se encarga de hacer el acondicionamiento de señal necesaria para la presión y
la temperatura, la cual es una amplificación de la señal por el tipo de transductores
seleccionados, los cuales tienen una respuesta lineal y una conversión Análogo Digital.
Para la señal que viene de las cápsulas se utiliza un circuito para volver esta señal senoidal,
una cuadrada para así poder trabajar ésta como una señal de disparo. Para la
multiplexación de las capsulas de emisión y recepción se utilizarán switches análogos.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
33
Figura 21. Arquitectura del Bloque de Sensores
2.2.2 Diseño físico: Estructura
Como el viento incidente en campo abierto tiene un ángulo de incidencia aleatorio sobre el
anemómetro, la estructura ideal debe ser lo más simétrica posible, esto con el fin de que la
velocidad del viento se vea afectada de la misma manera y proporción sin importar el
ángulo de incidencia. Por otro lado la estructura debe permitir que después de que el flujo
entre en ella tenga el espacio suficiente para reestablecerse de forma similar en todo el
volumen de control. Todo esto buscando una estructura lo mas esbelta posible con el fin de
que afecte lo mas mínimo posible al viento incidente. Como se trata de un prototipo, éste
debe contar además con la posibilidad de modificar la distancia entre las cápsulas de una
forma fácil para poder calibrar el instrumento.
Con base en las prioridades de diseño antes mencionadas se llegó a la estructura de la
Figura 22, en la cual los soportes de las cápsulas son simétricos, ya que tienen una
estructura de aluminio 5/16” redonda, el viento incidente tiene el espacio necesario para
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
34
reestablecerse antes de llegar al volumen de control al cual se le realiza la medición, y éste
se reestablece de forma simétrica el cubo que constituye el volumen de control. Además el
cambio de sección entre el soporte y la cápsula es casi nulo haciendo que éste no afecte al
viento incidente. Cuenta también con una base para los soportes de las capsulas
desarrollada en Solid Edge y fabricada en la maquina de prototipage rápido del
departamento de Ingeniería Mecánica, la cual permite el desplazamiento entre los soportes.
(a)
(b)
Figura 22. (a) Isométrico del Anemómetro realizado en Solid Edge (b) Estructura Anemómetro
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
35
3 IMPLEMENTACIÓN
Para el diseño de la solución se tuvo en cuenta que la solución debe ser totalmente portátil,
de tamaño reducido, de fácil uso, resistente al medio ambiente y de bajo consumo de
potencia. A continuación se describen las partes de Hardware y Software del prototipo.
3.1 Hardware
Aquí se describe los componentes y el proceso de selección que se llevo a cabo para cada
uno de los bloques que componen el anemómetro.
3.1.1 Control
Dada la complejidad de este módulo tanto para el bloque anemómetro como el sub-bloque
de sensores se llegó a la conclusión de que su implementación óptima es en software. Para
la selección del microcontrolador se tuvo en cuenta los criterios de diseño que se plantearon
desde un comienzo como lo son: el bajo consumo de potencia, menor tamaño posible, que
incluya un ADC con buena precisión y que soporte la memoria y el RTC seleccionados.
Después de hacer un estudio de los posibles microcontroladores y de estudiar el proceso de
selección en [5] se decidió trabajar con el PIC18F8620, microcontrolador fabricado por
Microchip ya que cuenta con las cualidades necesarias como lo son: manejo flexible y
amplio de periféricos, por lo tanto soporta perfectamente el modulo de sensores, memoria y
RTC, memoria de datos no volátil, memoria de programa de 128 Kbytes, ADC de 10 Bits
y velocidad de conversión apropiada para la aplicación, bajo consumo de potencia, es de
montaje superficial, además de contar con muy buenas herramientas de soporte y desarrollo
disponibles como lo son el poderlos programar en lenguaje C y para su programación
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
36
utilizar el protocolo ICSP (In Circuit Serial Programming, el cual solo utiliza 5 señales y
hace que el sistema se pueda reprogramar en cualquier momento en que se desee hacer
algún pequeño cambio en el diseño de forma muy sencilla.
3.1.2 Generador de señal
Este es el bloque encargado de generar la señal que va hacia las capsulas ultrasónicas, la
frecuencia de la señal debe ser muy precisa ya que las capsulas seleccionadas tienen un
ancho de banda de 1 kHz y su desempeño optimo se logra al excitarlas a 40 kHz, que es su
frecuencia de oscilación. Además se debe tener control sobre el número de pulsos que se
envían en un momento dado. Por todo esto se decidió generar la señal con el PIC18F8620.
Esta es una señal cuadrada de 0-5V a la cual se le realiza un acondicionamiento análogo
que consiste en un comparador de voltaje con 2,5V, el cual se muestra en detalle mas
adelante.
3.1.3 Contador de tiempo
Este bloque necesita una alta precisión y se debe poder controlar el inicio de conteo y fin de
conteo de forma sencilla, por estas razones se decidió implementarlo en el timer1 del
PIC18F8620, el cual corre a 500 Mhz.
3.1.4 Acondicionamiento de Señal
Es necesario realizar un acondicionamiento de las señales que van hacia y desde las
cápsulas al microcontrolador. Lo anterior debido a que para el tipo de aplicación es
necesario que la señal que va hacia la cápsula tenga un valor medio de 0 V, y por otro lado
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
37
que la señal proveniente de las cápsulas, una sinusoide de la frecuencia de oscilación de la
cápsula ultrasónica (40kHz), se transforme en una señal de disparo que le informe al
microcontrolador cuando se empieza un nuevo periodo de esta señal. Además hay que
realizar el acondicionamiento análogo de la señal que viene del transductor de temperatura
y presión y luego una conversión Análoga digital para el posterior almacenamiento de los
datos. El amplificador operacional que se utilizó para estos propósitos es el LF353 pos su
alto ancho de banda y Slew rate.
3.1.4.1 Señales desde y hacia las cápsulas Ultrasónicas
La señal que viene del microcontrolador de 40 kHz tiene una amplitud de 0-5V y es
necesario volver esta señal de -5 a 5V para obtener mejor desempeño de las capsulas. Para
este fin se decidió utilizar un comparador de voltaje a 2,5V con resistencias de un valor de
10 K ohms con el fin de que no sea tan sensible al ruido eléctrico.
Figura 23. Acondicionamiento análogo de las señales hacia las cápsulas.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
38
Después de diseñar y probar varios filtros para banda y para bajo de orden menor a tres con
el fin de eliminar las componentes de frecuencia que no fueran de 40 kHz y amplificar la
señal para rectificarla y así generar la señal de disparo, se llegó a la conclusión de que
como las capsulas ultrasónicas tienen un ancho de banda de 1,3 kHz y estas actúan como
un filtro, para que justificara el uso de un filtro, este tendría que ser de un orden muy alto,
además de que el diseño no debe desfasar la señal a 40 kHz. Por lo tanto la
implementación de este tendría muchos componentes y agregaría mayor tamaño y
complejidad al anemómetro, lo cual no es necesario en vista de que la configuración del
tipo Smith Triguer (el cual ¨filtra¨ el ruido) y luego una amplificación, funcionan muy
bien con las nuevas capsulas, haciendo algunos cambios en los valores de las resistencias,
haciendo al circuito más robusto.
-VDD
+
-
U16A
LF353
3
21
8
4
GND
Disparo1
R555k
-VDD
R3
1M
R6
1M
GND
Disparo
+
-
U15A
LF353
3
21
8
4
VDD
R4
330k
VDD
Figura 24. Acondicionamiento análogo de las señales desde las cápsulas.
3.1.4.2 Señales de los sensores
A las señales provenientes de los sensores de Temperatura y Presión es necesario hacerles
un acondicionamiento análogo para poner el rango de estas señales en el rango de trabajo
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
39
del conversor análogo digital, todo esto en el rango de medida del anemómetro
(Condiciones Atmosféricas).
3.1.4.2.1 Acondicionamiento Análogo
El sensor de presión tiene un rango de operación de 0,15 Kpa a 700 Kpa con una salida
lineal de 0,2 a 4,7 V, por lo tanto no es necesario hacer ningún acondicionamiento análogo.
Para el sensor de temperatura la salida es de 10mV-Grado centígrado, por lo tanto se
amplificó esta señal 10 veces teniendo una función de salida de 0,1 V -Grado centígrado
para tener así un rango de trabajo del sensor de 0 a 50 grados centígrados.
3.1.4.2.2 ADC
Teniendo en cuenta que la precisión del sensor de temperatura es de 0,75 Grados
centígrados y que la precisión del sensor de presión es de máximo 2.5%, se decidió
trabajar con el ADC del PIC18F8620, el cual es de 10 bits con tiempos de adquisición de
12,86µs y de conversión de 19,2µs, además de tener un bajo consumo de potencia.
3.1.5 RTC (Real Time Clock )
Un RTC es un dispositivo encargado de llevar la cuenta del tiempo (año, mes, día, hora
minuto, segundo). Las características que determinan la elección de este dispositivo son el
tipo de interfaz que tiene, esta puede ser serial 2 o 3 cables, SPI (Serial Peripherical
Interface), paralela, entre otros. Otra característica importante es si es necesario que el
dispositivo siga trabajando así la alimentación primaria se haya apagado, es decir que este
cuente con una fuente de alimentación secundaria. Es importante escoger que tipo de
formato de almacenamiento de datos es el más conveniente para la aplicación, los RTC
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
40
utilizan generalmente tres tipos de formatos de datos: BCD (Binary-Coded Decimal),
sistema binario con registros separados para cada uno de los campos, y contadores binarios
sin formato. El más común es el BCD ya que permite una fácil visualización de los datos.
La mayoría de los RTC tienen métodos que garantizan que los datos nos sean dañados
mientras se manipulan. Dichos métodos consisten generalmente en tener registros
secundarios desde los cuales se lee o se escribe, mientras que los principales se mantienen
inalterados y se actualizan normalmente.
Después de estudiar los criterios de selección y el trabajo realizado en [5], El RTC
seleccionado es el DS1306 [10] de MAXIM, el cual tiene las siguientes características:
Comunicación serial por 3 pines, capacidad para alimentación secundaria, operación de 2 a
5V.
3.1.6 Almacenamiento de Datos
Los anemómetros que se consiguen comercialmente el día de hoy cuentan con una
capacidad de almacenamiento de datos de 6 meses tomando datos cada 10 min. Este fue el
criterio base para realizar el calculo de capacidad de memoria y selección de la memoria a
utilizar.
Variable Numero de bits Tiempo NS 16 Tiempo SN 16 Tiempo OE 16 Tiempo EO 16 Temperatura 10
Presión 10 Año 8 Mes 5 Día 6
Hora 5 Min 7 Seg 7
Total 122
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
41
( ) Bitshora
medidasdíaHoras
mesdíasmesesBitsCapacidad 1581120
16
112
1306122 =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛∗⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∗⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛∗∗=
( ) BytesbitsByteBytesCapacidad 197640
811581120 =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛∗=
Además de la capacidad de memoria, otro criterio de selección es que la memoria debe ser
no volátil para así no perder los datos cuando el dispositivo no cuente con alimentación.
Haciendo un estudio de las tecnologías que cumplen con estas restricciones (ROM,
EPROM, EEPROM y flash) y del trabajo realizado en [5] se selecciono la memoria flash
de 32 Mbits (4Mb x 8) de bloques uniformes, paralela y de voltaje de operación de 3V [9].
El fabricante es STMicroelectronics.
Con esta memoria la capacidad de almacenamiento del anemómetro aumenta a cerca de 2
años y medio tomando datos cada segundo.
3.1.7 Interfaz con el computador
Para este bloque se busco un dispositivo que permitiera de manera sencilla la interfaz del
dispositivo por protocolo serial y USB, y que además permitiera realizar el cambio de
protocolo en cualquier momento de manera sencilla. Esto con el fin de permitirle al
instrumento comunicarse con cualquier dispositivo que cuente con alguno de estos
protocolos, por ejemplo un PC, Calculadora o cualquier PDA. La importancia de contar con
el protocolo USB es la tendencia masiva de su utilización en todo tipo de dispositivos
electrónicos, por otro lado la comunicación serial vía RS232 permite al usuario la
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
42
posibilidad de integrar al instrumento fácilmente en una red celular en Colombia y así,
hacer la comunicación con el instrumento vía inalámbrica o interactuar con una
Calculadora como la HP48 G.
El componente que se escogió para este bloque fue el FT232BM de FTDIchip el cual
permite una comunicación serial-USB [11]. Con este componente se pueden alcanzar
velocidades de transmisión de 1 MByte/segundo. Todo el protocolo de manejo del puerto
USB esta contenido en el chip y tiene un control de señales que permite interactuar con
niveles lógicos de 5V y de 3.3V.
La comunicación serial la llevará a cabo la USART del microcontrolador seleccionado,
PIC18F8620 fabricado por Microchip [8].
3.2 Software
A continuación se muestran y describen los diagramas de flujo del software del
anemómetro y del PC.
3.2.1 Anemómetro
El software del anemómetro fue escrito en lenguaje C utilizando el compilador Mplab C18
[14]. El diagrama de flujo general se muestra en la Figura 25. Se inicia cuando se enciende
el Anemómetro, el instrumento queda en modo de espera a recibir alguno de los modos de
operación vía USB o serial para ejecutarlos, estos modos de operación son: Inicio Toma de
medidas, Cambio Intervalo de muestreo, Descarga memoria y borrado de memoria,
Actualizar RTC, Fin Toma de medidas, Calibración Norte-Sur, Calibración Oeste- Este.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
43
Figura 25. Diagrama del flujo general del software del Anemómetro
Cuando se entra al modo Inicio toma de medidas se sigue el diagrama de flujo (Figura 26),
primero se guarda en la memoria externa la fecha y hora en que se inició la toma de datos.
Inicio- Power On
Recibió Dato
No
Es Inicio Toma de medidas?
Es Cambio de intervalo de muestreo?
Si
Si 1
No
Se cambia el intervalo de muestreo
Es Descarga y borrado de Memoria?
Descarga y borra
Si
Si
No
Es Actualizar RTC?
Calibración RTC
Si
No
Calibración Norte- Sur
Calibración Norte Sur
Si
No
2
No
Calibración Oeste-Este
CalibraciónOeste-Este
Si
No
Toma Datos dreferencia
Toma Datos de referencia
Si
No
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
44
Luego se procede a realizar la conversión análoga digital de Temperatura y Presión, y la
toma de los 4 tiempos de vuelo (Tiempo Norte-Sur, Tiempo Sur-Norte, Tiempo Oeste-
Este, Tiempo Este Oeste), se repite este procedimiento 9 veces, después se halla la mediana
de cada uno de ellos, esto con el fin de filtrar los datos y obtener así una mejor medida.
Luego se almacenan estos datos (Mediana de la Temperatura, Mediana de la Presión,
Mediana de Tiempo Norte-Sur, Mediana de Tiempo Sur-Norte, Mediana Tiempo Oeste-
Este, Mediana del tiempo) junto con la fecha y hora en que fueron adquiridos y se envían
éstos a la central. Luego se verifica si llegó la orden de fin de medidas, si es así se almacena
la fecha y hora en que se finalizaron las medidas y se envía a la central, de lo contrario se
espera el tiempo de muestreo programado entre medidas, éste por defecto es de 10
segundos a menos de que el usuario desee cambiarlo.
Note que el anemómetro tiene la flexibilidad de que una vez iniciada la toma de medidas
puede trabajar sin necesidad de estar conectado al computador, éste permanecerá en este
estado hasta que se vuelva a conectar el computador y éste le de la orden de fin de medidas.
La memoria tiene espacio suficiente para cubrir los 6 meses de tomas de medidas (Tiene
Capacidad de 2 años tomando datos cada segundo), sin embargo si llega a darse el caso de
que la memoria se llene durante este modo de operación el sistema entra en modo de bajo
consumo de potencia y el sistema no realiza más mediciones.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
45
Figura 26. Diagrama de Flujo del Modo Toma de medidas
3.2.1.1 Manejó de Periféricos
A continuación se describirá como se lleva a cabo el manejo de los periféricos: RTC, los
modos de calibración, el manejo y descarga de la memoria y el protocolo de
comunicaciones.
3.2.1.1.1 RTC
Escribir en memoria Fecha y Hora de inicio de medidas
Leer Temperatura, Presión y hacer la toma de los tiempos de vuelo 9 Veces
Hallar media de la Temperatura, Presión y tiempos de vuelo.
Almacenar estos datos en memoria junto con la fecha y hora
Se recibió orden de fin de medidas
Espera tiempo para la siguiente medida
Si
No
Escribir en memoria la fecha y hora de fin de medidas
2
1
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
46
El RTC se manejó en su modo serial sincrónico, el protocolo serial se implementó en
software para poder coordinar todos los tiempos entre el microcontrolador y el RTC cuando
se está actualizando o leyendo.
Cuando se está en el modo de actualización de datos se recibe del PC una trama que
contiene el año, el mes, el día, la hora y el segundo, y luego se procede a actualizar el RTC,
proceso que consiste en mandar la dirección del registro (Ver Figura 27) que se desea
actualizar seguido del valor que se desea tome el registro. El proceso de lectura es similar,
se envía la dirección del registro que se quiere leer y se espera a que el RTC responda con
el valor de este registro
Figura 27. Tabla de registros RTC DS1306 [10].
3.2.1.1.2 Comunicaciones
Para la comunicación ente Anemómetro y PC se diseñó el protocolo de comunicaciones
que se muestra en la ( Figura 28)
INSTRUCCIÓN Código ASCII de la Letra Calibración Norte Sur A Calibración Oeste Este B Inicio Toma de medidas C Fin toma de medidas D Descarga y Borrado de memoria E OK F
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
47
NO-OK G ACK H Actualización RTC I
Figura 28. Protocolo de Comunicaciones.
3.2.1.1.3 Calibración
Los modos de calibración (Norte-Sur y Oeste-Este) consisten en enviar la señal de 40 kHz
por una de las capsulas de la dirección deseada y recibir los de la otra durante cierto
tiempo razonable. Por ejemplo envió por la capsula Norte y recibo por la sur, esto con el
fin de encontrar la distancia óptima entre capsulas es decir la distancia donde la capsula
receptora recibe una señal de 40 kHz limpia después del acondicionamiento de señal de
llegada.
3.2.1.2 Memoria
El manejo de la memoria tiene tres partes, la escritura, la lectura y el borrado de la misma.
Para la escritura, cada vez que se inicie la toma de medidas se almacena en ella la fecha y
hora del inicio de la toma de datos, de forma similar cuando se finaliza la toma de medidas,
después de esto, cada vez que se tome una muestra de datos y se halle la media se almacena
este grupo de datos en memoria junto con la fecha y hora en que fueron adquiridos como
se mencionó anteriormente. Esto se realiza guardando en la memoria EEPROM de
microcontrolador apuntadores a la dirección en memoria donde se inicio el almacenamiento
de datos y donde se almaceno el último dato. Los detalles del inicio de descarga de
memoria se encuentran en le sección 3.2.2.1.5
El bloque memoria se programo en el microcontrolador comprobando el adecuado
funcionamiento de los puertos que se estaban utilizando, es decir observando las señales de
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
48
control y datos que se enviaban a la memoria mientras almacenaba, leía y borraba datos y la
memoria nunca funciono en ninguno de sus modos de operación. Se realizaron varias
pruebas llegando a la conclusión de que como se utilizo mismo integrado usado durante el
semestre 2004-01 en [5] debido que este no es de fácil adquisición en el país y este
estuvo durante varios meses en el laboratorio de electrónica antes de ser utilizado en este
proyecto, este integrado se encontraba dañado, motivo por el cual el anemómetro quedo
implementado sin esta función, pero el software se encuentra programado de tal forma que
al comprar la memoria esta se pueda integrada fácilmente en el instrumento.
3.2.2 Interfaz con el Usuario (Software PC)
A continuación se describirá el flujo general de datos y los módulos que hacen parte del
software de interfaz de usuario.
3.2.2.1 Flujo general de datos
En la figura 22 se encuentra el diagrama de datos general del la interfaz de usuario. Una vez
iniciado el programa el usuario tiene 7 opciones para escoger: Inicio toma de medidas, Fin
toma de medidas, Calibración Norte-Sur, Calibración Oeste Este, Descarga y borrado de
memoria, Actualizar Hora, ver reporte en Excel y toma de datos de referencia.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
49
Figura 29. Diagrama General del flujo de datos de la interfaz de usuario (PC,PDA)
3.2.2.1.1 Bloque Inicio Toma de medidas
Manda al anemómetro el comando de Inicio de toma de medidas, el anemómetro responde
con un OK, seguido de las tramas de datos de cada medición, con un intervalo entre tramas
igual al intervalo de muestreo deseado. En este momento el computador puede o no estar
conectado al anemómetro, en caso de estarlo éste va almacenando estos datos en un archivo
de Excel destinado para ello (Real time).
3.2.2.1.2 Bloque Fin Toma de medidas
Manda al anemómetro el comando de Fin toma de medidas, el anemómetro responde con
un OK.
3.2.2.1.3 Calibración Norte-Sur
Manda al anemómetro el comando de Calibración Norte-Sur, el anemómetro responde con
un OK.
INICIO
Inicio toma de medidas
Fin toma de medidas
Calibración Norte-Sur
Calibración Oeste-Este
Descarga y Borrado de memoria
Ver Reporte en Excel de la descarga o real time
Actualizar Hora
Toma Datosde referencia
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
50
3.2.2.1.4 Calibración Oeste-Este
Manda al anemómetro el comando de Calibración Oeste-Este, el anemómetro responde con
un OK.
3.2.2.1.5 Descarga y borrado de memoria.
El PC envía el comando Des. Mem., el Anemómetro responde con un Ack y 3 bytes,
indicando el número de bytes con información en la memoria.
El PC calcula cuántos bloques (de 256 bytes) debe enviar el anemómetro para transmitir
toda la información. A continuación el PC envía el comando Env. Mem. para iniciar la
transferencia de los bloques. El Anemómetro responde con un Ack + Bloque + Chk. El
byte de Chk es el resultado de sacar el módulo 256 a la suma de los 256 bytes del bloque
enviado. El PC recibe el bloque y calcula por su cuenta el Chk, luego lo compara con el
Chk recibido, si no son iguales pide al anemómetro repetir el bloque enviado (es decir,
envía el comando Chk mal), de lo contrario pide enviar el siguiente bloque (envía Chk
bien). [5]. Tenga en cuenta que el anemómetro ya sabe que cada vez que se descarga la
memoria debe borrar su contenido.
A lo largo de este proceso el PC va clasificando y almacenando esta información en un
archivo de Excel destinado para este propósito.
3.2.2.1.6 Ver reporte en Excel de la descarga o modo real time
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
51
Aquí se muestra al usuario el archivo que desee ver, ya sea el generado al descargar la
memoria y/ó el generado al recibir los datos de memoria en el modo real time.
3.2.2.1.7 Actualizar Hora
El PC envía el comando Actualizar Hora, el anemómetro responde con un OK y espera que
le envíen la información para actualizar los registros del RTC, la trama enviada se muestra
en la Figura 30.
Año Mes Día Hora Min Seg
Figura 30.Trama enviada para actualización RTC
3.2.2.1.8 Toma de Datos de referencia
Manda al anemómetro el comando de Toma datos de referencia, el anemómetro responde
con un OK, seguido de las tramas de datos de la medición de los tiempos de vuelo en
velocidad del viento igual a cero, el computador las almacena en variables destinadas para
este fin.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
52
4 RESULTADOS EXPERIMENTALES
A continuación se describe la metodología que se llevo a cabo para la realización de la
validación en el túnel de viento del Anemómetro Ultrasónico.
4.1 Pruebas realizadas con las diferentes capsulas ultrasónicas
Para comparar la diferencia en el comportamiento del anemómetro con las diferentes
capsulas se realizó una prueba para observar la señal recibida antes y después del
acondicionamiento de señal de la onda de llegada con el fin de comparar su desempeño a
nivel electrónico. En el momento de la prueba todas las capsulas ( 40CA-18SC
(Transmisor-Receptor, diseñadas para trabajar en medio ambiente, diámetro 18mm), 40R-
10AW (Receptores, encapsulado metálico, diámetro 9,8mm), 40T-10AW (Transmisores,
encapsulado metálico, diámetro 9,8mm), 40R-10P (Receptores, encapsulado de Plástico,
diámetro 9,8mm), 40T-10P (Transmisores, encapsulado de plástico, diámetro 9,8mm))
tuvieron un desempeño similar sin tener en cuenta el tiempo de levantamiento, es decir en
teoría todas estas capsulas tienen la potencialidad de ser montadas en el anemómetro y que
éste funcione sin implicar que el anemómetro lea los mismos valores y éstos sean óptimos.
Lo anteior ya que las capsulas fabricadas por APC tienen un ancho de banda diez veces
menor que el de las adquiridas en Sigma Electrónica (Bogota, Colombia) y por esta razón
hacen que el instrumento sea mucho más robusto ante el ruido mecánico (No audible) del
ambiente que podría llegar a tener componentes en frecuencia cercanas a la frecuencia de
resonancia de las capsulas, además el tiempo de levantamiento es otro factor determinante
en la calidad de desempeño del anemómetro, ya que éste limita la tasa de muestreo de los
datos. Por último y como se ha venido demostrando a lo largo de los diferentes proyectos
[3], [4] y en este proyecto el tamaño de las capsulas afecta directamente la lectura del
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
53
instrumento. Por estas razones se decidió que el prototipo final cuente con las capsulas
40T-10AW, las cuales al igual que las 40R-10AW, 40T-10P, 40T-10P son óptimas para la
aplicación.
4.2 Protocolo de medición en el túnel de viento
Las pruebas de validación se realizaron en el túnel de viento TVM 460-30-3.6, del
departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes. Este presentaba
varios inconvenientes debido a que está compuesto por tres partes, dos toberas y una zona
de pruebas, las cuales contaban con unas bases de madera que no permitían el adecuado
empalme de estas tres partes debido a que no mantenían la misma altura del eje de simetría
de los tres componentes y por ende el de la estructura, en otras palabras cada una de las tres
partes tenia su eje de simetría a diferente altura, además éste no era paralelo al piso. Por
otro lado estas bases permitían el movimiento de cada una de las partes respecto a su base y
de la base respecto al piso debido a su geometría y peso. Lo anterior hacia que el túnel
tuviera muchas fugas y el caudal en él no fuera constante, además de ser turbulento, lo cual
no era adecuado para la validación del prototipo. Para solucionar este problema se
diseñaron y construyeron unas nuevas bases en acero estructural que corrigieran estos
problemas. Sin embargo la zona de pruebas ya esta muy deteriorada y su geometría no
empalma perfectamente con las dos toberas por lo que existen unas pequeñas fugas, por
este motivo es necesario empalmar las tres partes y cubrir estos empalmes con cinta para
terminar de cubrir estas fugas menores.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
54
Figura 31. Túnel de Viento TVIM 460-30-3.6 Con las bases de Madera
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
55
Figura 32. Túnel de Viento TVIM 460-30-3.6 Con las nuevas bases de acero estructural
Las pruebas se realizaron a diferentes velocidades y ángulo de incidencia con el fin de
verificar el adecuado funcionamiento del prototipo tanto en magnitud de la velocidad
como en su dirección. Para poder comparar las mediciones se instaló un Termo-
anemómetro de Hilo Caliente (EXTECH Modelo 407123) con el cual se compararon las
medidas de magnitud de la velocidad y la temperatura. Para poder comprobar la adecuada
lectura del anemómetro de la dirección éste se roto en ángulos conocidos. El montaje puede
observarse en la siguiente figura 33.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
56
Figura 33. Montaje para la validación del prototipo
Figura 34. Especificaciones del Anemómetro de Hilo Caliente EXTECH [19].
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
57
4.3 Prototipo Propuesto
Las pruebas de validación del prototipo se llevaron a cabo en dos fases, una con el objetivo
de validar el adecuado funcionamiento de este en cuanto a su lectura del ángulo de
incidencia y corroborar la incidencia de la estructura en la magnitud de la lectura de la
velocidad, es decir que la lectura de la velocidad sufre una atenuación debido a los
soportes y esta atenuación depende del ángulo de ataque del viento en el instrumento. La
segunda fase consistió en rotar el anemómetro en ángulos muy pequeños para poder
observar y cuantificar esta dependencia.
Los resultados de la primera fase, se muestran en las figura 36 a 40 y son el resultado de
rotar el anemómetro en el túnel de viento de 45° en 45° con el fin de simular el viento
atacando en diferentes frentes ver figura 35.
Figura 35. Mapa de velocidades
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
58
El rango de velocidades que aparece en el titulo de las gráficas es el rango de velocidades
que se leyeron en el túnel de viento con el anemómetro de hilo caliente a lo largo de la
prueba, los dos círculos continuos corresponden a la velocidad máxima y mínima leídas por
el hilo caliente teniendo en cuenta el error asociado a la medición de este instrumento (ver
figura 34), los ejes de velocidad Oeste-Este y norte sur, corresponden a la velocidad medida
por el anemómetro ultrasónico. Como puede verse en la mayoría de los casos la magnitud
de la velocidad está dentro del rango de variación de la lectura del Hilo Caliente y en los
casos en que no está, lo está muy cercana como se cuantifica más adelante.
Mapa de Velocidades (2.2- 2.6 m/s)
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Velocidad Oeste-Este (m/s)
Velo
cida
d N
orte
-Sur
(m/s
)
Figura 36. Mapa de velocidades (2,2 – 2,4
m/s) Prototipo final
Mapa de Velocidades (5,2 - 5,5 m/s)
-7-6-5-4-3-2-101234567
-7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7
Velocidad Oeste-Este (m/s)
Velo
cida
d N
ort
e-Su
r (m
/s)
Figura 37. Mapa de velocidades (5,2 – 5,5
m/s) Prototipo final
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
59
Mapa de Velocidades (8.4 - 8.9 m/s)
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Velocidad Oeste-Este (m/s)
Vel
ocid
ad N
ort
e-S
ur (m
/s)
Figura 38. Mapa de velocidades (8,4 – 8,9
m/s) Prototipo final
Mapa de Velocidades (11,4- 11,9 m/s)
-14-12-10-8-6-4-202468
101214
-14
-12
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
Velocidad Oeste-Este (m/s)
Velo
cida
d N
ort
e-S
ur (m
/s)
Figura 39. Mapa de velocidades (11,4 –
11,9 m/s) Prototipo final.
Mapa de Velocidades (12,5 - 13,1 m/s)
-14-12-10
-8-6-4-202468
101214
-14
-12
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
Velocidad Oe ste -Este (m/s)
Vel
oci
dad
No
rte-
Sur
(m
/s)
Figura 40. Mapa de velocidades (12,5 – 13,1 m/s)
En las Figuras 41 a 45 se muestra la relación de ángulo a diferentes velocidades, esta
relación es el resultado de graficar el ángulo medido por el anemómetro ultrasónico vs. El
ángulo real de incidencia del viento sobre el anemómetro. Como puede verse la lectura del
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
60
ángulo por el anemómetro ultrasónico tiene muy buena precisión. Por lo tanto podemos
partir de esta base para poder cuantificar la atenuación de la medida de la magnitud del
viento en función de su ángulo de ataque.
Relación de dirección (2,2 - 2,4 m/s)
y = 0.997xR2 = 0.9999
0
4590
135180
225
270
315360
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo de incidencia Real (°)
Angu
lo M
edid
o po
r el
Anem
ómet
ro U
ltras
ónic
o
Figura 41. Relación de dirección (2,2 –
2,4 m/s)
Relación de direcció n (5.2 - 5.5 m/s)
y = 1.0015xR2 = 0.9998
0
4590
135180
225
270
315360
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo de incidencia Real (°)
Angu
lo M
edid
o po
r el
Anem
ómet
ro U
ltras
ónic
o
Figura 42. Relación de dirección (5,2 –
5,5 m/s)
Relación de dirección (8,4 -8,9 m/s)
y = xR2 = 0.9999
045
90
135180
225
270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo de incidencia Real (°)
Angu
lo M
edid
o po
r el
Anem
ómet
ro U
ltras
ónic
o
Figura 43. Relación de dirección (8,4 –
8,9 m/s)
Relación de dirección (11,4 - 11,8 m/s)
y = 0.9996xR2 = 0.9999
0
4590
135180
225
270
315360
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo de incidencia Real (°)
Angu
lo M
edid
o po
r el
Anem
ómet
ro U
ltras
ónic
o
Figura 44. Relación de dirección (11,4 –
11,8 m/s)
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
61
Relación de dirección (12,5 - 13 m/s )
y = 1.0005xR2 = 0.9999
0
45
90
135
180225
270
315
360
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo de incidencia Real (°)A
ngul
o M
edid
o po
r el
Ane
móm
etro
Ultr
asón
ico
Figura 45. Relación de dirección (12,5 – 13 m-s)
En las Figuras 46 a 49 se encuentran graficados los mapas de velocidades a diferentes
velocidades y a todos los ángulos, nuevamente el titulo de las es el rango de velocidades
que se leyeron en el túnel de viento con el anemómetro de hilo caliente a lo largo de la
prueba, los dos círculos continuos corresponden a la velocidad máxima y mínima leídas por
el hilo caliente teniendo en cuenta el error asociado a la medición de este instrumento (ver
figura 34) , los ejes de velocidad Oeste-Este y norte sur, corresponden a la velocidad
medida por el anemómetro ultrasónico.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
62
Mapa de ve loci dades (2,2 -2,4 m /s)Todos los ángulos de i ncidenci a
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
Velocidad Oeste-Este (m/s)
Velo
cida
d N
orte
-Sur
(m/s
)
Figura 46. Mapa de velocidades (2,2 – 2.4
m/s) Todos los ángulos de incidencia
Mapa de Velocidades (5, 2 -5,5 m/s)Todos los ángulos de incidencia
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8
Velocidad Oeste -Este (m /s)
Vel
oci
dad
No
rte-
Su
r (m
/s)
Figura 47. Mapa de velocidades (5,2 – 5,5
m/s) Todos los ángulos de incidencia.
Mapa de Ve loc idades (8,4 - 8,9 m/s)Todos los ángulos de Incidenc ia
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Velocidad Oeste - Este (m/s )
Velo
cida
d No
rte-
Sur
(m/s
)
Figura 48. Mapa de velocidades (8,4 – 8,9
m/s) Todos los ángulos de incidencia.
Mapa de Velocidades (11,4 - 11,8 m/s)Para todos los ángulos de i ncidenci a
-15
-10
-5
0
5
10
15
-15 -10 -5 0 5 10 15
Ve locidad Oeste - Es te (m/s)
Velo
cida
d N
orte
-Sur
(m/s
)
Figura 49. Mapa de velocidades (11,4 –
11,8m/s) Todos los ángulos de incidencia.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
63
En las Figuras 50 a 53 se puede ver que la dependencia de la velocidad con el ángulo de
incidencia del viento sobre el anemómetro es pequeña, esto era lo esperado debido a que
uno de los criterios más fuertes de diseño era hacer que la estructura afectara lo menos
posible al viento incidente.
Magnitud Velocidad vs. Angulo de Incidencia (Velocidad Túnel 2,2- 2,4 m/s )
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo (°)
Mag
nitu
d Ve
loci
dad
(m/s
)
Figura 50.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a (2,2- 2.4 m/s)
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
64
Magnitud Velocidad vs. Angulo de Incidencia (Velocidad Túnel 5,2 - 5,5 m/s )
0
1
2
3
4
5
6
7
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo (°)
Mag
nitu
d V
eloc
idad
(m/s
)
Figura 51.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a (5,2- 5.5 m/s)
Magnitud Velocidad vs. Angulo de Incidencia (Velocidad Túnel 8,4 - 8,9 m/s )
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo (°)
Mag
nitu
d V
elo
cid
ad (m
/s)
Figura 52.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a (8,4- 8,9 m/s)
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
65
Magnitud Velocidad vs. Angulo de Incidencia (Velocidad Túnel 11,4-11,8 )
0
2
4
6
8
10
12
14
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Angulo ( °)
Mag
nitu
d Ve
loci
dad
(m/s
)
Figura 53.Graficas de magnitud de la velocidad vs. Angulo de incidencia a (11,4- 11,8 m/s)
Para poder cuantificar el error del anemómetro ultrasónico con respecto al de hilo caliente
se realizo el siguiente modelo, a lo largo de las pruebas la velocidad del viento medida por
el hilo caliente varió en los rangos que aparecen en las figuras anteriores, a los cuales
llamaremos banda de medición del hilo caliente , y se hallaron los errores porcentuales de
las diferentes medidas del anemómetro ultrasónico con respecto a esta banda de medición,
ya que la velocidad del viento esta dentro de este rango debido a la turbulencia del túnel.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
66
% Error respecto a la banda de medición del Hilo Caliente vs. Angulo
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
0 45 90 135 180
Angulo de Incidencia (°)
Erro
r %
5,2 - 5,5 m/s8,4 - 8,9 m/s11,4 - 11,8 m/s
Figura 54. % Error respecto a la banda de medición del Hilo Caliente vs. Angulo de incidencia.
Como puede verse en la Figura 54, se tiene un rango de error máximo del 7,8 % en los
peores casos, es decir cada 90 grados en los cuales es crítica la dependencia de la velocidad
con el ángulo de incidencia del viento sobre el anemómetro. Esto es un buen estimativo del
error, ya que se encuentran en juego muchas variables como lo son la velocidad del sonido
y por ende la temperatura y densidad del aire (de las cuales la temperatura también tiene un
error asociado en su medición y la densidad que no la conocemos afectan la medición;
se realizó un estimativo y para tener una precisión de 0,1 m/s se debe tener una variación
máxima de la temperatura de 1,42 °C lo cual es muy exigente ), por otro lado la
turbulencia del túnel no nos permite tener un flujo ideal estable, de velocidad constante y
en una sola dirección. También existe un error en la medición de los tiempos de vuelo
definidos en la sección 1.2, asociados a la tolerancia del montaje, las capsulas de desplazan
entre si una distancia muy pequeña pero considerable al contar el tiempo de vuelo. Por
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
67
ultimo existe un error asociado al anemómetro de hilo caliente (ver Figura 34). Como no se
tiene precisión en la medida de la velocidad del túnel de viento por las razones expuestas
anteriormente y además se tienen otros errores asociados, este estimativo nos cuantifica de
una manera muy razonable el excelente funcionamiento del prototipo que aquí se propone.
T emperatura y Presión (2,2 -2, 4 m/s)T med ia Hilo Calien te (19,8°C)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 60
12 0
180
240
300
36 0
420
48 0
540
600
660
72 0
780
840
900
960
Tiempo (segund os)
Presi ón Absoluta (Kpa)Temperatura (°C)
T emperatura y Presión (12,5 - 13 m/s)T media Hilo Cal iente (19,6°C)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 60
120
18 0
240
30 0
360
420
48 0
540
60 0
660
720
78 0
Tiempo (segu ndos)
Presión Absoluta (Kpa)Temperatura (°C)
Figura 55. Graficas de Temperatura y Presión Absoluta vs. Tiempo a diferentes velocidades
Como puede verse en la Figura 55 la temperatura y presión permanecen dentro de una
banda de variación muy pequeña, resultados similares se obtuvieron para las demás
velocidades.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
69
Conclusiones
Los resultados obtenidos son los esperados con base en los criterios con que fue diseñado y
con la investigación realizada. Es decir que sí existe una clara dependencia entre la
magnitud leída por el anemómetro ultrasónico y el ángulo de ataque del viento sobre el
instrumento. Al cuantificar esta dependencia nos damos cuenta de que el error asociado a
ella es máximo del 7,8% calibrando el instrumento respecto a la banda de medición, lo cual
es muy aceptable por las razones expuestas en al numeral anterior y nos lleva a concluir que
mientras no se pueda calibrar el instrumento en unas condiciones mas controladas no vale
la pena usar las constantes de calibración de ajuste de la velocidad en función del ángulo
de ataque, ya que el error que se esta obteniendo sin ellas está dentro del rango aceptable
para las condiciones en que se realizó la validación del prototipo.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
70
5 CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS
Se cumplió con el objetivo de validar la teoría de medición del viento por ultrasonido y
perfeccionar su implementación tanto a nivel electrónico como en su estructura física y los
sensores que lo componen.
Dentro de las observaciones mas importantes se encuentra la dependencia de la relación
entre la magnitud de la velocidad medida por el instrumento y la real con el ángulo de
incidencia de el viento sobre el instrumento y la relación directa de esta dependencia con la
simetría en la estructura del instrumento. De estas observaciones se llega a la conclusión de
que la geometría debe ser lo más esbelta, continua y simétrica posible, además de
permitirle al fluido reestablecerse antes de entrar a la zona de las cápsulas. Se encontró
también que se pueden hallar constantes experimentales en función del ángulo para así
terminar de calibrar el instrumento, es decir el primer paso es tener la geometría óptima y
realizar una primera calibración la cual consiste en multiplicar la velocidad leída por el
anemómetro, el segundo paso es hallar el error en función del ángulo de incidencia del
viento sobre el anemómetro y después de la lectura multiplicar la magnitud de la velocidad
medida por el instrumento por una constante la cual el error asociado al ángulo leído por el
anemómetro más 1, el calculo de este error debe ser el resultado de una experimentación
rigurosa y en las mejores condiciones posibles.
En el acondicionamiento de las señales provenientes de las cápsulas ultrasónicas no es
conveniente realizarla con filtros de ningún tipo ya que estos afectan directamente la fase y
magnitud de la onda de llegada, dependiendo de sus componentes de frecuencia,
distorsionándola y haciendo que la medición del tiempo de vuelo sea menos precisa y por
lo tanto afectando la magnitud y ángulo de la velocidad.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
71
En cuanto a las cápsulas ultrasónicas, se necesita que éstas tengan como características
fundamentales un ancho de banda muy pequeño en relación a su frecuencia de resonancia,
ya que la cápsula actúa a la vez como un filtro de ondas mecánicas de otras frecuencias, las
cuales podrían llegar a interferir con la onda ultrasónica enviada por la cápsula (40kHz) y
así hacer que el anemómetro menos robusto al ruido del ambiente; un tiempo de respuesta
muy bajo, ya que éste es el que limita la tasa de muestreo de datos, y tamaño pequeños
porque las cápsulas afectan directamente al viento incidente. Las cápsulas con que cuenta
este prototipo cumplen en forma excelente con estos requerimientos.
Aun queda por resolver el problema de alimentación del anemómetro, ya que en este
momento éste seria incapaz de ser autónomo durante el tiempo que está diseñado para
almacenar datos. Seria muy interesante y de gran utilidad en la medición de la turbulencia
atmosférica poder alcanzar la tasa de muestreo máxima de muestreo para la que esta
diseñado el instrumento. Por otro lado ya se tienen los criterios y las bases necesarias para
poder diseñar un prototipo de anemómetro que mida la velocidad vectorialmente en 3
dimensiones y no solo en 2 como lo hace el prototipo propuesto en este proyecto.
El prototipo propuesto aquí es un prototipo preindustrial, en caso de ser comercializado el
anemómetro no necesitaría de la base que permite el desplazamiento entre capsulas, ya que
ésta solo es necesaria para encontrar la distancia optima entre capsulas la cual es propia del
prototipo y es la distancia en que el prototipo funciona en forma adecuada y optima. El
modo de toma de datos de referencia también se suprimiría, ya que estos valores de
referencia tomados en velocidad cero estarían almacenados en el microcontrolador y estos
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
72
se actualizarían cada cierto tiempo prudencial como parte del mantenimiento y calibración
periódicos del instrumento.
La teoría de medición de la velocidad del viento se comporta muy bien, por lo que hace que
este tipo de anemómetros presenten grandes ventajas sobre los demás, ya que no posee
partes móviles, además de medir la velocidad de forma vectorial.
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
73
6 BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS
1. Diseño y construcción de un prototipo de anemómetro ultrasónico - Harold Martínez,
Proyecto de Grado 2002
2. Validación y perfeccionamiento de un prototipo de anemómetro ultrasónico –
Christian Moreno, Proyecto de Grado 2003/1
3. Validación y perfeccionamiento de un prototipo de anemómetro ultrasónico – Álvaro
Ramírez, Proyecto de Grado 2003/2
4. Desarrollo de un nuevo prototipo de anemómetro por ultrasonido- Camilo Tovar, Tesis
de grado 2004/1.
5. Desarrollo de una herramienta inteligente para limpieza de ductos y tuberías- Juan
David Chávez, Ismael Meléndez, Proyecto de grado 2004/1.
6. The Influence of the Sensor Design on Wind Measurements with Sonic Anemometer
Systems, A Weiser,fiedler, F Corsmeier, Journal of Atmospheric & Oceanic
Technology, Oct2001
7. Manual de la calculadora HP-48G
8. Microchip, “PIC18F6520/8520/6620/8620/6720/8720 Data Sheet”, Microchip
Technology Incorporated,2004.
9. STMicroelectronics, “M58LW032D 32 Mbit (4Mb x8, 2Mb x16, Uniform Block)
3V Supply Flash Memory”, 2003. 10. Maxim, “DS1306 Serial Alarm Real-Time Clock”, www.maxim-ic.com. 11. FTDICHIP, “FT232BM USB UART (USB - SERIAL) I.C.”, Future Technology Devices Intl. Ltd, 2004. 12. Microchip Inc, MPLABIDE users manual 13. Microchip Inc, MPLINK users manual
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
74
14. Microchip, “Mplab C18 C Compiler User´s Guide”
15. MSDN Library. Microsoft Visual Basic 6.0 ReferenceGuide.
16. Amerinan Piezo Electric Company, http://www.apc.com 17. Massa Corporation, http://www.massa.com 18. Measurement Systems, Aplication and Desing. O. Doblelin. Fourth Edition. Mc Graw-Hill Publishing Company. 19. Hot wire Termo-Anemometer Model 407123 EXTECH http://www.testequipmentdepot.com/extech/pdf/407123.pdf 20. w w w .ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/ procesos/Temperatura.doc
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
75
Anexo A: Hoja de Datos
Especificación sensores Resolución Mínima
Rango Precisión Temperatura 0,045 ° C Temperatura 0 - 50 °C 0,75 ° C Presión 0,68kPa Presión 0,17 - 700 kPa 2,50% Velocidad 40m/s - ADC Memoria
Tiempo de adquisición 12,86 us
Tiempo de conv ersión 19,2 us Capacidad 2,5 años tomando datos cada segundo Transmisión USB
Taza de transf erencia 300KBy tes/s Costo Diseño Componente Cantidad USD RTC 1 4 Memoria 1 7 PIC 1 6 Capsulas 4 32
Otros componentes 20
Tubo aluminio 1 m 0,4
Base ABS (Máquina protipaje) 1 800
Doblado del Tubo 16 3
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
76
Anexo B: Planos Eléctricos
TXD
TXD
RTS#
R7
1k5
RI#
D1LE D
V CC
C3
10uF
VCC
RI#
C433nF
R22k2
R9330
DSR#
D2LE D
GND
P WRE N#
C1
0.1uF
DCD#
RXD
GND
DTR#
R4 27R
GND
R64k7
TXDE N
V CC
P WREN#
GND
C2
0.1uF
GND
RTS#
GND
U1
93C46/56/66
1234
8765
CSSKDINDOUT
VCCNCNC
GND
R810k
GND
GND
R3470R
DSR#
R1
10k
CTS#
C50.1uF
CN1CN-US B
1234
U2
FT232BM
25
24
23
22
21
20
19
5
28
4
32
1
2
29 9
18
17
31
14
15
16
12
10
13
6
30 263
8
7
27
11
TXD
RXD
RTS#
CTS#
DTR#
DS R#
DCD#
RSTOUT#
XTOUT
RESE T#
EE CS
EE SK
EE DA TA
AGND
GND
RI#
GNDTEST
PWRCTL
PWRE N#
TXDEN
TXLE D#
S LE EP
VCC-IO3V3OUT
AVCC
VCC
VCC
USBDM
USBDP
XTIN
RXLE D#
DCD#
R5 27R
GND
TXDEN
C7
C
GNDJ2
CONN 12 Macho
123456789101112
MEMORIA
RXD
DTR#
VCC
C8
CR10330
CTS#
Y 1
6MHz Crystal
VCC
USB
VDD
VDD
-VDD
+
-
U 16A
L F353
3
21
8
4
GND
Disparo1
R 555k
-VDD
GN D
R 3
1 M
R6
1M
R110k
GND
Disparo
+
-
U15A
LF353
3
21
8
4
VDD
-VDD
+
-
U14A
LF353
3
21
8
4
R4
330k
R2 10k
VDD
40kH zCaps
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
77
Sens orT SDI_SDOSDI_SDO
S_CLK
GND
GNDCE_RTC
VDD
U10
DS1306
12345678 9
10111213141516
VCC2VBATX1X2INT0INT11HzGND SERMODE
CESCLK
SDISDO
VCCIF32k HzVCC1
GND
R710k
GND
VDD
32KHzCR_RTC
+
-
U18A
LF353
3
21
8
4
T
R81k
-VDD
VDD
3V
BATTERY
GND
V_BAT
GND
GND
R 12
R
R10
R
R TS#-CTS#
J3
C ON4
1234
GND
Disparo1
40kH zCa ps
C 6
1 u
P1
C ONN EC TOR D B9
594837261
GND
TxPIC
C51u
Sens orT
D TR#-DSR#
C in2
DisparoPICGND
GNDVD D
Caps#1
TxSerial
GND
R 11
R
R xSe rial
Caps#3
-VCC
GND
VC C
VCC
GND
s ensorP
GND
VD D
GND
-VCC
J5
C ON3
123
U19
AD G511±5/AD
1
89
16
5
23
67
1011
1415
13
4
12
IN 1
IN 4IN 3IN 2
GND
D1S1
S4D4
D3S3
S2D2
VDD
VSS
VL
J7
C ON3
123
GN D
GND
Caps#1
C41u
C TS#-RTS#
J6
C ON3
123
Rx Seria l
GND
Cin 3
C 10
C
GND
J2
CON N 12 Embra
123456789
101112
GND
VD D
J4
C ON4
1234
Caps#2
D SR #-DTR#
Caps#3
VCC
C 71u
R9
R
RxSerial
GND
Caps#4
Cin 1
Rx PIC
TxSerial
Dis paro
VC C
GND
40kH zCa ps
Caps#2
Caps#4
U21
MAX232
138
1110
134526
129147
16
15
R1INR2INT1INT2IN
C+C1-C2+C2-V+V-
R1OU TR2OU TT1OU TT2OU T
VCC
GND
-VD D
U20
AD G511±5/AD
1
89
16
5
23
67
1011
1415
13
4
12
IN 1
IN 4IN 3IN 2
GND
D1S1
S4D4
D3S3
S2D2
VDD
VSS
VL
TxSeria l
C in4
Dis paro
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
78
A 5
A12
DQ2
RB7
A15
DQ0
A21
LED_ON_OFF
GND
A13
DQ6
DQ4
A 3A 4
VDDPIC
Cin3
VDDPIC
G
A0
MCLR
A10
GND
RP
A9
S_CLK
A8Cin2
A18
U1
PIC18F8620
123456789
1011121314151617181920
21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 3433 35 36 37 38 39 40
6059585756555453525150494847464544434241
80 79 78 77 76 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61
RH2/A18RH3/A19RE1/W R/A D9RE0/RD/AD8RG0/CCP3RG1/TX2/CK2RG2/RX2/DT2RG3/CCP4MCLR/VPPRG4/CCP5VSSVDDRF7/S SRF6/A N11RF5/A N10/CVREFRF4/A N9RF3/A N8RF2/A N7/C1OUTRH7/AN15RH6/AN14
RH5/AN13
RH4/AN12
RF1/AN6/C2OUT
RF0/AN5
AVDD
AVSS
RA3/AN3/VREF+
RA2/AN2/VREFR-
RA1/AN1
RA0/AN0
VSS
VDD
RA4/T0CKI
RA5/AN4/LVDIN
RC1/T1OSI/CCP2
RC0/T1OSO/T13CKI
RC6/TX1/CK1
RC7/RX1/DT1
RJ4/BA0
RJ5/CE
RJ 2/WRLRJ3/WRHRB0/INT0RB1/INT1RB2/INT2
RB3/INT3/CCP2RB4/KBI0
RB5/KBI1/PGMRB6/KBI2/PGC
VSSOSC2/CLKO/RA6
OSC1/CLK IVDD
RB7/KBI3/PGDRC5/SDO
RC4/ SDI/ SDARC3/SCK/SCL
RC2/CCP1RJ7/UBRJ 6/LB
RH1/A17
RH0/A16
RE2/CS/AD10
RE3/AD11
RE4/AD12
RE5/AD13
RE6/AD14
RE7/CCP2/AD15
RD0/PSP0/AD0
VDD
VSS
RD1/PSP1/AD1
RD2/PSP2/AD2
RD3/PSP3/AD3
RD4/PSP4/AD4
RD5/PSP5/AD5
RD6/PSP6/AD6
RD7/PSP7/AD7
RJ0/ALE
RJ1/OE
T
GND
Rx Serial
A16
DQ1
GND
DQ5
CE_RTC
W
SensorP
SDI_SDO
GND
DQ3
DisparoPIC
DQ7
A20
E 0_E 1_E2
Cin1
Cin4
A 2
A7A1
CLK1V DDPIC
VDDPIC
VDDPIC
A19
A14
A11
TxSerial
A6
A17
CLK0
DQ7
A3A2
A13
RP
A9
A19
DQ5
A10
G
A1
GN D
GN D
GND
DQ3
E0_E1_E2 VDD
W
A12
U 3
M58LW032D110N6T
123456789
10111213141516171819202122232425262728
56555453525150494847464544434241403938373635343332313029
NC 0E1A21A20A19A18A17A16VDDA15A14A13A12E0VPENRPA11A10A9A8VSSA7A6A5A4A3A2A1
NC 2WG
STSD Q15
DQ7D Q14
DQ6VSS
D Q13DQ5
D Q12DQ4
VDDQVSSQD Q11
DQ3D Q10
DQ2VDDDQ9DQ1DQ8DQ0
A0BYTE
NC 1E2
DQ6VDD
DQ2
A18
A16
A8
A0
VDD
A15
DQ0
A11
VDD
A21E0_E1_E2
DQ4
GN D
A20
E0_E1_E2
A17
A7A6A5
A14
A4
DQ1
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
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Anexo C: Planos Mecánicos
Isométrico Anemómetro Autor: Andrea Córdoba
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
80
Planos: Base Anemómetro
Unidades en milímetros Material: ABS
Cantidad: 1 Autor: Andrea Córdoba
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
81
Planos: Cubo derecho Unidades en milímetros
Material: ABS Cantidad: 4
Autor: Andrea Córdoba
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
82
Planos: Cubo izquierdo Unidades en milímetros
Material: ABS Cantidad: 4
Autor: Andrea Córdoba
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
83
Planos: Tubo corto
Unidades en milímetros Material: Tubo de Aluminio
Cantidad: 2 Autor: Andrea Córdoba
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
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Planos: Tubo largo Unidades en milímetros
Material: Tubo de Aluminio Cantidad: 2
Autor: Andrea Córdoba
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
85
Anexo D: Hoja de Datos MPX5700
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
86
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
87
Anexo E: Hoja de Datos LM35
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
88
Anexo F: Los primeros 113 datos de la figura 48
Fecha Inicio Toma de Medidas Año Mes Día Hora 2005 2 10 16 Fecha Fin Toma de Medidas Año Mes Día Hora 2005 2 10 16
Año Mes Día Hora Min Seg Velocidad NS (m/s)
Velocidad OE (m/s)
Vel Magnitud (m/s)
Direccion (°)
Temperatura (°C) Presión (KPa)
2005 2 10 16 53 57 0,56 10,82 10,84 2,97 21,05 72,28 2005 2 10 16 54 8 0,75 10,82 10,85 3,95 21,01 73,04 2005 2 10 16 54 36 1,87 11,00 11,16 9,65 21,52 72,28 2005 2 10 16 54 58 1,87 10,81 10,98 9,82 20,96 72,28 2005 2 10 16 54 53 2,06 11,19 11,38 10,43 21,05 73,04 2005 2 10 16 55 5 2,06 11,00 11,20 10,60 21,05 73,04 2005 2 10 16 54 31 2,06 10,63 10,83 10,97 21,05 73,80 2005 2 10 16 54 13 2,25 11,00 11,23 11,54 21,05 73,04 2005 2 10 16 54 20 2,25 11,00 11,23 11,54 20,96 73,04 2005 2 10 16 54 42 2,43 10,82 11,09 12,67 21,05 72,28 2005 2 10 16 54 24 2,62 11,00 11,31 13,39 21,05 72,28 2005 2 10 16 54 47 2,62 11,00 11,31 13,39 20,91 73,80 2005 2 10 16 55 33 3,37 10,81 11,33 17,30 20,91 72,28 2005 2 10 16 55 39 3,55 10,81 11,38 18,19 21,14 73,80 2005 2 10 16 55 21 3,56 10,63 11,21 18,49 20,96 73,04 2005 2 10 16 55 44 3,74 10,81 11,44 19,08 20,96 72,28 2005 2 10 16 55 16 3,74 10,82 11,45 19,08 20,87 72,28 2005 2 10 16 55 10 3,74 10,81 11,44 19,09 21,10 72,28 2005 2 10 16 55 28 3,74 10,63 11,27 19,40 21,14 72,28 2005 2 10 16 55 50 5,62 10,26 11,69 28,70 21,10 72,28 2005 2 10 16 55 55 5,62 10,07 11,53 29,15 20,91 72,28 2005 2 10 16 56 7 6,55 9,88 11,86 33,54 20,87 73,80 2005 2 10 16 56 18 6,55 9,70 11,70 34,04 21,01 71,52 2005 2 10 16 56 13 6,55 9,70 11,70 34,05 20,96 73,04 2005 2 10 16 56 2 6,74 9,70 11,81 34,80 20,82 72,28 2005 2 10 16 56 25 6,36 8,75 10,82 36,03 21,05 71,52 2005 2 10 16 56 47 8,24 8,58 11,89 43,82 20,87 73,80 2005 2 10 16 56 36 8,61 8,58 12,15 45,11 21,10 73,04 2005 2 10 16 56 41 8,61 8,39 12,02 45,75 21,10 73,04 2005 2 10 16 56 29 8,80 8,39 12,15 46,36 21,05 72,28 2005 2 10 16 56 52 9,54 6,34 11,46 56,41 21,05 72,28 2005 2 10 16 57 3 9,54 6,34 11,46 56,41 21,10 72,28 2005 2 10 16 56 59 9,54 5,97 11,26 57,99 20,63 73,04 2005 2 10 16 57 10 10,11 4,66 11,13 65,27 21,05 73,04 2005 2 10 16 57 15 10,11 4,47 11,06 66,13 20,91 73,04
Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
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Validación y Perfeccionamiento de un Anemómetro Ultrasónico IM-2004-II-15
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2005 2 10 16 41 3 6,36 -9,33 11,29 145,70 20,87 72,28 2005 2 10 16 41 14 6,18 -9,33 11,19 146,50 20,87 72,28 2005 2 10 16 41 19 5,62 -9,70 11,20 149,92 20,82 73,04 2005 2 10 16 41 26 5,62 -9,88 11,37 150,40 20,87 73,04 2005 2 10 16 41 37 5,62 -9,88 11,37 150,40 21,10 72,28 2005 2 10 16 41 31 5,43 -9,88 11,28 151,23 20,87 72,28 2005 2 10 16 41 49 4,11 -10,26 11,06 158,16 20,77 73,80 2005 2 10 16 41 54 3,93 -10,26 10,99 159,06 21,42 73,04 2005 2 10 16 41 42 3,74 -10,26 10,92 159,98 20,96 72,28 2005 2 10 16 42 5 2,99 -10,64 11,05 164,28 20,87 72,28 2005 2 10 16 42 0 2,81 -10,82 11,18 165,45 21,52 72,28 2005 2 10 16 42 11 2,43 -10,45 10,73 166,89 20,91 71,52 2005 2 10 16 42 16 1,50 -10,64 10,74 171,98 20,96 72,28 2005 2 10 16 42 23 1,497388 -11,01 11,11153 172,255 21,0518 73,0438976 2005 2 10 16 42 28 1,309849 -11,01 11,08782 173,216 21,00543 73,0438976 2005 2 10 16 42 34 0,187225 -11,01 11,01177 179,026 20,91269 71,5234168 2005 2 10 16 42 39 0 -10,447 10,44736 180 20,91269 72,2836572 2005 2 10 16 42 51 0 -10,827 10,82655 180 20,95906 72,2836572 2005 2 10 16 42 46 -0,187225 -10,637 10,63855 181,008 20,95906 73,0438976 2005 2 10 16 42 57 -1,497388 -10,827 10,92961 187,874 20,95906 72,2836572 2005 2 10 16 43 20 -1,498223 -10,827 10,92973 187,879 20,81995 73,0438976 2005 2 10 16 43 13 -1,684092 -10,827 10,95675 188,842 20,95906 72,2836572 2005 2 10 16 43 8 -1,684092 -10,637 10,76940 188,997 21,09817 72,2836572 2005 2 10 16 43 2 -2,059484 -11,01 11,20114 190,595 20,95906 72,2836572 2005 2 10 16 43 31 -2,808394 -10,827 11,18487 194,542 20,86632 72,2836572 2005 2 10 16 43 36 -2,993118 -11,016 11,41568 195,2 20,91269 73,804138 2005 2 10 16 43 25 -2,993118 -10,827 11,23268 195,454 21,00543 70,7631764 2005 2 10 16 43 43 -3,181076 -10,827 11,28422 196,374 20,86632 70,7631764