Diseño, construcción y prueba de un pluviómetro de cazoletas con

Revista Colombiana de Física, Vol.44, No. 1, 2012
Diseño, construcción y prueba de un pluviómetro de
cazoletas con comunicación inalámbrica
Design, Construction, and Test of a Bucket Rain Gauge with Wireless Communication
Y. Areiza1, G. Vargas1*, C. E. Pérez1, J. Aristizabal1, C. A. Salazar5
1
Escuela de Física, Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín, A.A. 3840, Medellín, Colombia
Recibido abril 10 de 2012; aceptado abril 14 de 2011
Resumen
Se presenta en este artículo un pluviómetro tipo cazoletas basculantes de bajo costo, desarrollado mediante el uso de tecnología local, y con una resolución de 0.2mm de precipitación por golpe. Cada golpe es detectado mediante un interruptor
magnético activado por un imán adherido a las cazoletas. La señal del sensor junto con la fecha y hora de activación son
almacenadas en un dispositivo electrónico, el cual transmite inalámbricamente los datos a un computador usando el protocolo de comunicación ZigBee.
Palabras Clave: pluviómetro, cazoletas basculantes, interruptor magnético, ZigBee.
Abstract
This paper presents a low cost tipping bucket rain gauge, developed by using local technology, and with a resolution of
0.2mm per tip. Each tip is detected by a magnetic switch (reed switch) which is activated by a magnet bonded to the bucket. The sensor signal and the activation date-time, are recorded in an electronic system which transmits data to a PC wirelessly using the ZigBee communication protocol.
Keywords: rain gauge, tipping bucket, reed switch, ZigBee
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1. Introducción
Un pluviómetro de cazoletas basculantes es un dispositivo
usado para medir volumen de precipitación. Existen diversos tipos, pero el más empleado es el de cazoletas basculantes que consta de un embudo que recolecta el agua lluvia y
la envía por gravedad a un balancín compuesto de dos cazoletas. Siempre una de estas cazoletas se encuentra posicio-
nada debajo del embudo donde colecta el agua lluvia que
cae de éste, cuando la cazoleta se llena, esta báscula es
obligada a eliminar el agua por efecto del peso de la misma,
lo cual implica que la segunda cazoleta se posicione bajo el
embudo para repetir el procedimiento.
El movimiento del balancín es usado para activar un
interruptor magnético que informa que se ha recibido un
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G. Vargas:Diseño, construcción y prueba de un pluviómetro de…
volumen de agua lluvia igual al volumen de cada una de las
cazoletas.
El volumen de agua de cada cazoleta corresponde a la
altura de una columna de agua lluvia recibida por
precipitación y determinada por la ecuación
h = V/ (π (d / 2) 2) .
(1)
Siendo V el volumen de cada una de las cazoletas y d el
diámetro mayor del embudo del pluviómetro.
2.
Montaje experimental.
Para la construcción del equipo se partió de un cilindro
plástico hueco comercial, de 6” de diámetro nominal, el
cual se convirtió en la cubierta externa del dispositivo. Para
las cazoletas se usó también un tubo comercial de 2.5” de
diámetro nominal, el cual fue cortado como se muestra en
la gráfica y dividido por un tabique en dos compartimientos
para cada cazoleta. La recolección de agua es dirigida a las
cazoletas por un embudo plástico comercial, al cual se le
disminuyó el diámetro de salida mediante un aditamento
plástico mecanizado para tal fin, el cual evita pérdidas de
agua al caer en las cazoletas.
El eje de rotación y soporte de las cazoletas se elaboró en
eje metálico, a este último se le realizó un agujero axial en
el cual se insertó el interruptor magnético para ser activado
mediante un imán de ferrita ubicado en el soporte de las
cazoletas, cuando éstas basculan por el peso del agua lluvia.
Para asegurar que el volumen de agua lluvia captada por las
cazoletas fuese igual para ambas, se diseñaron dos topes
roscados de altura graduable y se colocaron justo debajo de
los extremos de las cazoletas.
a un PC encargado de recibir la información del pluviómetro y transmitir los datos al PC. En todos los casos es el
dispositivo de adquisición de datos el encargado de asignar
a cada dato la fecha y hora de ocurrencia.
3. Resultados.
El volumen de agua ajustado para activar el interruptor
magnético es variable, puede ir desde 2ml a 62ml dependiendo de la cazoleta empleada y de la ubicación de los
topes de nivelación del pluviómetro.
La figura 2 muestra la curva de calibración de un pluviómetro con volumen de 62ml, que corresponden a una lámina
de agua de 0.3mm (ecuación 1). Dicho instrumento fue
calibrado con un patrón constituido por una probeta de
altura graduada e igual diámetro que el pluviómetro. En
esta figura se puede apreciar que el volumen de cada cazoleta permanece constante y corresponde a volumen suministrado por el patrón de calibración.
Aparte de esto se realizaron múltiples ensayos de la velocidad de respuesta del interruptor magnético para asegurar
que éste no presentará rebotes o falsos pulsos al bascular las
cazoletas.
Después de numerosos ensayos en laboratorio y en campo,
el diseño del dispositivo ha sido mejorado, por lo que ya se
cuenta con un molde que permite la inyección plástica de
toda la parte externa del dispositivo. Además se han diseñado numerosas cazoletas que permiten variar la resolución
de la lámina de agua recolectada. La figura 3 muestra uno
de los nuevos prototipos de pluviómetros con los que se
cuenta actualmente.
La nivelación de todo el pluviómetro se logró mediante tres
tornillos, midiéndola con mucha precisión por un nivel de
burbuja insertado en la base. Todos los detalles descritos
son mostrados en la figura 1.
Cuando el interruptor es activado por el imán genera una
señal que es llevada a un equipo de detección, almacenamiento y transmisión desde el que se envía, en tiempo real,
a un computador vía comunicación inalámbrica. Para este
fin se emplean módulos de comunicación inalámbrica
XBeePro, de la marca Digi, los cuales emplean el protocolo
de comunicación inalámbrica ZigBee[4] (IEEE 802.15.4),
los cuales transmiten información en modo de bajo consumo en la banda industrial de 2.4GHz.. Para el caso de la
transmisión en tiempo real de los datos, sólo se requiere de
dos dispositivos, un finalizador ubicado en el pluviómetro,
encargado de adquirir los datos y un coordinador conectado
Figura 1. Pluviómetro de cazoletas.
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Figura 2. Curva comparativa de respuesta del pluviómetro
cazoletas contra probeta.
4.
Figura 3. Pluviómetro de cazoleta mejorado.
Conclusiones
Con este trabajo se pretendía buscar una forma más
económica de realizar las mediciones de precipitación
de agua lluvia, en ambientes tanto controlados, como
a intemperie, mediante un dispositivo práctico,
portátil y de fácil funcionamiento, el cual ha
mostrando un excelente desempeño en ambos casos.
Los resultados obtenidos han sido acordes a la norma
de la OMM (Organización Meteorológica Mundial).
Además, se obtuvo un dispositivo de tan fácil
manipulación que puede ser operado fácilmente por
cualquier persona sin conocimientos previos.
Referencias
[1] Casella, 2003, Pluviómetro de balancín con registrador de precipitación, www.casella-es.com,
[Consulta Mayo 2008].
[2] Casas Castillo M. Carmen. Análisis temporal y
espacial de las precipitaciones en Cataluña,
Barcelona, 1995, p. 29-32. Tesis de doctorado en
Astronomía y meteorología. Universidad de Barcelona, Departamento de meteorología y astronomía.
[3] José A. Guijarro, Revista de Climatología vol. 2,
2002, 15-20 p.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo del Taller de Física y
la Dirección de investigación Medellín (DIME) de la
Universidad Nacional de Colombia sede Medellín,
quienes patrocinaron el desarrollo de este
instrumento.
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