INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXVIX, No. 1, 2008

Antonio Delgado Fornaguera, Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Centro de investigaciones hidráulicas, Cujae, LaHabana, Cuba. e-mail: antoniod@cih.cujae.edu.cuAlejandro Portal León Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica, Centro de Neurociencias de Cuba, La Habana, Cuba e-mail:ale.portal@cih.cujae.edu.cuJorge Ramírez Beltrán, Ingeniero en Telecomunicaciones y Electrónica. Doctor en ciencias Técnicas. Centro de InvestigacionesHidráulicas, Cujae, la Habana, Cuba. e-mail: jramirez@cih.cujae.edu.cu

Daniel Vega Fernández, Ingeniero Automático. ICID. e-mail: daniel@cih.cujae.edu.cu

Medición de la intensidad de la lluviaempleando el pluviógrafo P-2 automatizado

Resumen / Abstract INTRODUCCIÓNLa precipitación es el origen de todas las corrientes

superficiales y subterráneas, por lo cual su cuantificacióny el conocimiento de su distribución, en el tiempo y en elespacio, se convierten en problemas básicos para lahidrología.

En la actualidad existe una gran variedad deinstrumentos y técnicas para obtener información de lasdiferentes fases de la precipitación. Sin embargo, losaparatos que miden la cantidad y la intensidad de laprecipitación son los más importantes. Estos aparatoscolectores reciben los nombres de pluviómetro ypluviógrafo.

El pluviómetro se emplea para registrar láminas de lluviacada 24 h mientras que el pluviógrafo se utiliza pararegistrar en forma continua las cantidades de precipitacióncaída. Los registros del pluviógrafo pueden definir lacantidad de precipitación y el tiempo que esta tardó, conlo cual se puede analizar la distribución de la lluvia en eltiempo para así calcular la intensidad de lluvia.

Las precipitaciones se miden por la altura que alcanzaríael agua caída sobre una superficie plana y horizontal, enla que no existieran pérdidas por infiltración ni evaporación.Tal altura se expresa en milímetros y las mediciones sellevan a una aproximación de los décimos de mm. Esnecesario tener presente que un milímetro de precipitaciónequivale a un litro de agua por metro cuadrado:1 mm = 1L / m2.

A su vez, la intensidad de la precipitación suele medirseen milímetros por hora, es decir, precipitación por unidadde tiempo. Cuando se trata de precipitaciones intensasse pueden medir en milímetros por minuto.1

La automatización del pluviógrafo P-2 se realiza con elobjetivo de rehabilitar la red pluviográfica de Cuba. Lamedición automatizada consiste en obtener los datos decantidad de lluvia y momento en que esta ocurre de formadigital. Esto se realiza al transformar el movimiento queindica la caída de lluvia en el P-2 en una señal eléctrica.Dicha señal se procesa empleando un microcontroladorpara cuantificar el movimiento detectado y conocer susentido. Una vez obtenido el dato de lluvia en el tiempo, sealmacena en una memoria y se transmite hacia unacomputadora para realizar el pos-procesamiento de lainformación.Palabras clave: Pluviógrafo, Microcontrolador, Curva de masa

P-2 rain gauge automation is carried out with the objectiveof rehabilitating the rain gauge net of Cuba. Theautomation consists of obtaining the data of rain amountand time in which it happens in a digital way. This is carriedout when transforming, by means of a transducer, themovement that indicates the rain fall in the P-2 into anelectric signal. A microcontroller processes this signal inorder to quantify the detected movement and to know itssense. Once obtained the rain data in time, it is stored in amemory and transmitted to a computer to carry out thepost processing of the information.KeyWords: Rain gauge, Microcontroller, Mass curve.

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Aunque en la actualidad se siguen fabricando lospluviógrafos de registro mediante cartilla, estos han pasadoa un segundo plano por el complejo mecanismo deinscripción que poseen, la necesidad de supervisar elequipo constantemente para el cambio de cartilla y losposibles errores al interpretar los pluviogramas. De ahíque con los avances de la tecnología se fuerondesarrollando nuevos pluviógrafos que entregan los datosde precipitación de forma analógica o digital, logrando unamayor exactitud en las mediciones sin tener que supervisarel equipo en largos períodos de tiempo.

En abril de1966 fue patentado por Barker2 el primerpluviógrafo con registro gráfico de mediciones automáticas.El mismo consiste en un modelo del pluviógrafo de balancínen el que cada vaciado de las cubetas activa un interruptormagnético que cierra un circuito generador de un pulsoeléctrico, el cual se registra y se muestra en un contadorenmarcado en la pared del pluviógrafo. A partir de esemomento los pluviógrafos automatizados de balancín hanido en constante desarrollo, contando cada vez con másfacilidades. Sin embargo, todavía no se ha patentadoningún modelo de pluviógrafo de flotador automatizado.

En Cuba la red pluviográfica está compuesta por másde docientos equipos P-2, modelo soviético del pluviógrafode tipo flotador. La mayoría de los componentes físicosde estos equipos, como son la cubierta, el mecanismo derecepción de la lluvia y el sistema de flotante, seencuentran en perfecto estado ya que están fabricadosde materiales no férreos para evitar oxidaciones por laexposición a los agentes meteorológicos. En este momentodicha red no se encuentra funcionando en condicionesaceptables debido a que muchos de estos pluviógrafoshan dejado de funcionar por presentar desperfectos en elcomplejo mecanismo del sistema inscriptor, el sistemade contrapeso que hace bajar el flotante y la falta de piezasde repuesto. Es por ello que el Instituto Nacional deRecursos Hidráulicos (INRH) se ha visto en la necesidadde renovar la red pluviográfica.

En el mercado mundial se encuentran numerosos tiposde pluviógrafos sofisticados, la mayoría de los cualesentregan los datos de forma digital. El costo de estosmodelos oscila entre los 600 y 1 100 USD.

Por los motivos antes expuestos, el INRH le proponeal Centro de Investigaciones Hidráulicas (CIH),perteneciente al Instituto Superior Politécnico José AntonioEcheverría, Cujae, buscar la solución más factible pararehabilitar la red pluviográfica del país acorde con losavances tecnológicos del presente siglo y a los recursosmonetarios de que dispone dicha institución.

La solución que brinda el CIH para lograr esta tarea esautomatizar los pluviógrafos P-2 existentes en el país, yaque se puede asegurar que el costo de uno de estosequipos que se venden en el mercado mundial es muysuperior al costo estimado si se automatiza el pluviógrafosoviético P-2 con un equipo que incluya todas lasfacilidades y capacidades de los actuales pluviógrafos;

además de la ventaja que implica contar con un equipo defabricación cubana de know-how conocido y creado a partirde las necesidades y condiciones del País. Es por estoque es mucho más factible para el INRH automatizar lospluviógrafos P-2 existentes teniendo en cuenta que salvoel sistema inscriptor de datos estos equipos se encuentranen buen estado.

MEDICIÓN DE LAS PRECIPITACIONES CON PLUVIÓGRAFOSA. El pluviógrafo P-2

El pluviógrafo de fabricación soviética P-2, equipo quese emplea para la medición de intensidad de lluvia en elpaís, es un modelo del pluviógrafo de flotador sin sifónautomático. En la figura 1 se muestran enumeradas cadauna de las partes que lo conforman.

Cuerpo del instrumento (1), con un embudo colector (2)de 500 cm2 de superficie

Cámara de flotación (3) en cuyo interior se halla elflotador que articula el vástago (4), al cual se fija el soporte(5) del brazo de la pluma inscriptora (6). El área de lacámara de flotación es diez veces menor que la delcolector.

Mecanismo de contrapeso, montado sobre la cubiertade la cámara del flotador, cuyo objetivo es impulsar eldesagüe a través del sifón a cualquier intensidad de laprecipitación.

El sifón (14) está conectado a la cámara de flotación ysirve para descargar el agua de la cámara cada vez queen esta se acumulen 500 cm3 de agua.

Recipiente (7) dentro del cual se vierte el aguadescargada.

Cilindro con pluviograma enrollado (8) impulsado porun mecanismo de relojería que contiene en su interior, elcual permite completar una revolución del cilindro en 24 hmontado sobre el pedestal (9).

Base (10). Le sirve de apoyo a la cámara de flotación yal cilindro.

Cubierta protectora (11). Se usa para trasladar o guardarel instrumento.

FIGURA 1Pluviógrafo P-2.

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Medición de la intensidad de la lluvia empleando el pluviógrafo P-2 automatizado

Durante la precipitación el agua del embudo colectorpasa a través del tubo de drenaje (12) a la cámara deflotación, hasta llenarla. A medida que aumenta el nivelde agua en la cámara de flotación, el flotador es obligadoa subir; consecuentemente, la plumilla describirá una curvaascendente sobre el pluviograma, cuya mayor o menorinclinación estará en función de la intensidad de laprecipitación; a mayor intensidad más empinada la curvay viceversa.

Cada vez que se acumulan 500 cm3 de agua en lacámara de flotación y la pluma indica 10 mm en elpluviograma, el flotador (17), habiendo alcanzado suposición más alta, empuja el tornillo de ajuste (13) liberandoel retén (15) de la hélice (16). Por la acción de una pesa(18), la hélice comienza a girar y sus levas (19), al chocarcon el soporte del brazo portapluma, fijado al vástago,sumergen el flotador en el agua. El agua forzada por elflotador, llenará abundantemente el sifón, dando lugar aque se origine una descarga del agua. Con el descensodel flotador se libera el tornillo de ajuste y el retén topanuevamente con la hélice, inmovilizándola hasta quevuelva a llenarse la cámara de flotación. Cuando se vacíala cámara de flotación la pluma regresa a la división cero.De continuar la precipitación, se repetirá el ciclo antesmencionado.3

Para que el mecanismo de contrapeso funcionecorrectamente tiene que estar bien calibrado. Para ello seregula la altura del sifón y el tornillo de ajuste. En lacalibración de la altura del sifón se llena el dispositivo deagua, una vez que el flotador haya llegado al tope seintroduce pausadamente el sifón hasta que se produzcala descarga del agua. En este momento se fija firmementeel sifón por medio del tornillo provisto para tal fin. Laregulación del tornillo de ajuste se hace llenando eldispositivo de agua y girando el tornillo hasta que toque elflotador. De este modo se pone a punto el mecanismo decontrapeso para lograr el vaciado forzado.

Tomando en cuenta que los pluviógrafos registran, enforma continua, la variación de la altura o lámina de lluviacon respecto al tiempo, son sus registros los que permitenrealizar el análisis más completo de las tormentas en lazona donde esté ubicado el pluviógrafo. El análisis de lasprecipitaciones en los pluviógrafos se basa en el estudiodel pluviograma, gráfica a partir de la cual se puedenobtener la curva de masa y otros tipos de curvas quepermiten caracterizar las precipitaciones en un momentodado.

B. El pluviograma y la curva de masaEl pluviograma constituye la gráfica sobre la cual la

plumilla del pluviógrafo registra la lluvia acumulada. Lalectura del mismo indica la cantidad de precipitaciónacumulada cada un determinado período de tiempo.4

Los pluviogramas se dibujan sobre una cartilla cuyosejes marcan el tiempo y la cantidad de lluvia. El eje detiempo puede ser de un día, una semana o un mes, de

acuerdo con el mecanismo de relojería del pluviógrafo ylas necesidades de precisión; mientras que el eje de lacantidad de lluvia tiene un máximo de 10 cm con unaresolución de 0,1 mm. Sobre esta cartilla es que la plumillava registrando en todo momento, de forma que la ausenciade precipitación queda reflejada como una recta horizontaly la presencia de lluvia se refleja como una recta inclinada.A medida que aumenta la intensidad de la lluvia esta rectase hace más inclinada tendiendo a convertirse en unarecta vertical, pero sin llegar a serlo.

El pluviograma presenta como limitación la amplitudde registro de 10 cm, equivalente a 10 mm de lluviaacumulada, que corresponde al punto de vaciado delvolumen acumulado de lluvia en el recipiente. Este vaciadoqueda representado en la cartilla como una recta vertical,como se ilustra en la figura 2 para una tormenta real.

Para interpretar la información que brindan lospluviogramas hay dos vías: transformarlo en una curvade masa o escanearlo para lograr una lectura automática.A partir de la imagen escaneada de un pluviograma, sepuede obtener una planilla que contenga la cantidad deprecipitación acumulada cada un cierto período de tiempo.La lectura automática del pluviograma, puede ser divididaen cuatro etapas: caracterización y resolución; alineacióny recorte; fraccionamiento por zonas y muestreo.5

A partir de los pluviogramas se pueden obtener unaserie de curvas importantes para los hidrólogos. Tales sonlos casos de la curva de intensidad y duración (ID) y lacurva de intensidad, duración y frecuencia (IDF). En lascurvas ID a medida que se reduce el intervalo de tiempo,la intensidad máxima expresada en unidad constante,(mm/h), va creciendo. Por su parte, las curvas IDF sonuna gráfica en la cual se concentran las característicasde las tormentas de la zona donde se encuentra ubicadoel pluviógrafo, con respecto a sus variables: magnitud,duración y frecuencia.6 Pero el análisis de la curva demasa es de gran importancia en este trabajo debido a quees la curva que se debe obtener una vez automatizado elpluviógrafo.

La transformación del pluviograma en una curva demasa se realiza caracterizando a las tormentas de forma

FIGURA 2Pluviograma.

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individual, es decir, tomando las muestras desde quecomienza la lluvia hasta que termina. Las rectas inclinadasque indican la presencia de lluvia se mantienen con lamisma pendiente con que fueron registradas; mientras quelas rectas verticales que indican el vaciado del dispositivose eliminan, de forma tal que la recta que aparece tras elvaciado se une con la que se encuentra antes de ladescarga.

La curva de masa es la curva de precipitaciónacumulada en un determinado período, representada enun sistema de ejes en que se grafican los valores deltiempo, usualmente en horas, en el eje de las abscisas, yde precipitación acumulada (mm) en el eje de lasordenadas, como se ilustra en la figura 3.

Esta curva es empleada generalmente para representarlas características de las tormentas consideradas en formaindividual, obteniéndose los valores pertinentes basadasen los registros de los pluviógrafos en los pluviogramas.

La observación de la curva de masa indica claramentela intensidad y la variación en el tiempo de la lluvia duranteel transcurso de la tormenta, de aquí su importancia en elestudio de las precipitaciones. Para determinar el valor dela intensidad de la lluvia en el tiempo se halla la inclinaciónde la recta mediante el cálculo de la pendiente. Loscambios de pendiente, por tanto, equivalen a cambios enla intensidad de la lluvia. De aquí que los tramos en que lacurva de masa se hace horizontal indican períodos sinlluvia.

Una vez automatizado el pluviógrafo los datos que seregistran son de lluvia junto a hora y fecha en que estaocurre, elementos necesarios para conformar la curva demasa.

microprocesador, además de gobernar las funciones decada uno de estos bloques implementa las facilidades decomunicación con una computadora o con un autómatautilizando el protocolo Modbus con el fin de insertar esteequipo en un sistema de telecontrol.

Para el almacenamiento de la información se brinda lafacilidad de emplear una memoria de registro conectadaal equipo. Esta memoria permite ser extraída en cualquiermomento para conectarla al puerto paralelo de unacomputadora y obtener los datos almacenados de formadirecta.

Una vez obtenidos los datos en una computadora o enla estación central, se realiza el procesamiento de losmismos para obtener la curva de masa.

Uno de los problemas que presenta el pluviógrafo P-2reside en el mecanismo de contrapeso que posibilita elvaciado del mismo. En la actualidad muchas de las piezasde dicho mecanismo no se encuentran en buen estado enla mayoría de los pluviógrafos P-2 existentes en el País,debido a los años de explotación de los mismos. Otradesventaja de este mecanismo es que la pesa que poseeestá sujeta por una cuerda con una longitud que permiteveinte vaciados y que al llegar a su final tiene que serenrollada de forma manual.

Para evitar todos estos contratiempos se tomó ladecisión de sustituir dicho mecanismo por otro que realiceel vaciado del P-2 de forma automática.

Otra de las facilidades que brinda el equipo es la deestar respaldado por una fuente de alimentación propiapara ser ubicado en lugares de difícil acceso donde notendrá el respaldo de la red eléctrica. Además, si se ubicaen lugares donde se tenga acceso a la red eléctrica, debepermitir conectarse a la misma.

DESCRIPCIÓN DE LOS BLOQUES FUNCIONALES

En la figura 4 se presentan los bloques principales queconforman el equipo que serán explicados a continuaciónjunto con las facilidades que proporcionan cada uno deellos en la automatización del pluviógrafo P-2.

FIGURA 3Curva de masa.

FIGURA 4Diagrama en bloques del equipo.

CARACTERÍSTICAS Y FACILIDADES DEL EQUIPO

El equipo desarrollado realiza las mediciones de losdatos de precipitaciones para su posterior procesamientopor lo que su diseño se basa en la recopilación, elalmacenamiento y el envío de los datos alcanzados. Paraello se empleó un microprocesador al que se le hanasociado un grupo de bloques funcionales. El

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Medición de la intensidad de la lluvia empleando el pluviógrafo P-2 automatizado

A. Encoder ópticoEl pluviógrafo P-2 es una variante del pluviógrafo de

flotador. Cuando llueve, el vástago realiza un movimientovertical hacia arriba debido a la fuerza de empuje ejercidasobre el flotante por el agua que se almacena en la cámarade flotación; mientras que durante el vaciado de dichacámara, el vástago realiza un movimiento hacia abajo. Elprimer problema a resolver es detectar este movimientolineal del vástago.

Para detectar dicho movimiento y convertirlo en unaseñal eléctrica, con el fin de registrarla para poder darleun futuro procesamiento, se utilizó un transductor ópticocon un patrón de luz no luz por las facilidades que impone.Dicho transductor se adjunta al vástago del pluviógrafodesplazándose junto con el mismo, mientras que el patrónqueda fijo a una pieza creada para este fin. Un solotransductor óptico no es suficiente pues detectaría elmovimiento y la posición del vástago pero no el sentido,por lo que es necesario emplear dos de estos transductores;a este conjunto se le conoce como encoder ópticobidireccional, y consiste en un transductor que convierte,tanto la posición lineal como angular en una señal digital.

El principio de operación de un encoder óptico consisteen que un led y un fototransistor, los que se encuentranen un mismo encapsulado llamado par óptico, se encargande detectar el paso o no de la luz a través de un patrónlineal que posee marcas opacas y transparentes de iguallongitud.

El encoder incremental, que es el que se utiliza en estaaplicación, se caracteriza porque determina su posiciónal contar el número de pulsos que se generan cuando unrayo de luz es atravesado por las marcas opacas ytransparentes del patrón lineal o en la superficie de undisco unido a un eje.

Los encoders incrementales pueden ser clasificadosen unidireccionales y bidireccionales. Los bidireccionalesofrecen dos salidas y el sentido queda determinado por ladiferencia de fase que exista entre ellas. La figura 5muestra un encoder óptico incremental bidireccional.

El encoder incremental bidireccional posee dos paresópticos ubicados a una distancia conveniente para lograrque, al moverse el patrón a través de los dos pares, segenere a la salida de cada canal una señal cuadrada conun desfasaje de 90 entre ellas. La posición de los paresgenera las señales en cuadratura que dan el sentido delmovimiento, ya que al moverse el patrón en un sentido laseñal del canal A se antepone a la del canal B 90 y almoverse en sentido contrario la señal del canal A quedaretrasada a la del canal B 90, como se muestra en lafigura 6.7

Con un dispositivo adecuado y un algoritmo deprogramación se puede tratar la señal digital que se obtienea la salida del encoder para determinar, teniendo en cuentalos pulsos detectados, la altura alcanzada por el vástagoa partir de un origen; y según el desfasaje entre los doscanales, el sentido del movimiento vertical.

FIGURA 6Desfasaje existente entre los dos canales delencoder.

Al emplear pares ópticos, el patrón tiene que serdiseñado con marcas equidistantes que dejen pasar o noel rayo de luz proveniente del led emisor. Uno de losproblemas a resolver está en la longitud de estas marcas,las cuales vienen dadas por la resolución con que vaya atrabajar el pluviógrafo.

Después de un abarcador estudio de la resolución delos distintos tipos de pluviógrafos que se encuentran hoyen día en el mercado mundial y las condiciones que debecumplir el equipo a diseñar, se decidió captar losincrementos de precipitación en el P-2 automatizado cada0,25 mm, equivalente a 0,01 in, resolución que poseen lamayoría de los pluviógrafos modernos.

Para convertir esta resolución del pluviógrafo a ladistancia de las marcas transparentes y opacas del patrónes necesario tener en cuenta las características delpluviógrafo P-2. El área de la superficie del embudocolector es de 500 cm2 y el área de la cámara de flotaciónes diez veces menor que la del colector, por lo que cadamilímetro de lluvia real en el embudo colector equivale a10 mm en la cámara de flotación. De esta conversión de 1a 10 propia del pluviógrafo P-2 se obtiene que una láminade 0,25 mm de lluvia real es equivalente a 2,5 mm deincremento del nivel de agua dentro de la cámara deflotación. Como se desea que el patrón tenga una relacióndirecta con la cámara de flotación para detectar elmovimiento vertical del vástago al moverse el flotador ala par del nivel de agua, se empleará una resolución delpatrón de 2,5 mm.

En el algoritmo a desarrollar para detectar el movimientovertical del vástago se decidió captar las transiciones de

FIGURA 5Encoder óptico incremental bidireccional.

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los pulsos provenientes del encoder al pasar de las zonasopacas a las transparentes y viceversa. Es por esto quecada una de las zonas del patrón debe poseer un anchoigual a la resolución de 2,5 mm definida anteriormente, deforma que cada vez que se detecte una transición seaporque el nivel del agua subió 2,5 mm. En la figura 7 semuestra la resolución del patrón resultante.

en la figura 8.B. Microcontrolador

Una vez obtenidas las señales desfasadas que indicanel movimiento del vástago, es necesario un dispositivocapaz de recibir y procesar estos pulsos eléctricos paradeterminar el sentido del movimiento del vástago y devolverde forma digital el dato de precipitación. Para esto eldispositivo más indicado es un microcontrolador, pues esun dispositivo capaz de realizar adquisición, tratamientoy transmisión de datos, y de interactuar con los diferentesdispositivos que conforman el diseño del equipo.

Se emplea un microcontrolador de la familia 8051 debidoa que en el CIH ya existen experiencias de trabajo con losmismos y tienen implementadas una serie de subrutinasque pueden ser utilizadas. También hay que destacar queactualmente en el mercado mundial se puede encontraruna amplia gama de microcontroladores de la familia 8051con una serie de mejoras que brindan la posibilidad detrabajar a velocidades más rápidas, con modos de bajoconsumo los cuales posibilitan el ahorro de potencia encaso que se desee y que brindan grandes facilidades alutilizarlos.

C. Reloj de tiempo real (RTC)El equipo cuenta con una fuente precisa de valores de

tiempo y fecha similar al reloj calendario de unacomputadora. El RTC es un circuito integrado periféricoque da la posibilidad a un microcontrolador de tomar datosde tiempo, con una resolución de un segundo. Brinda, conuna alta precisión, la hora y fecha actual. Este reloj entiempo real tiene resguardo de baterías y mantiene la horay fecha independiente de la alimentación del equipo.

El RTC se emplea en la automatización del pluviógrafopara obtener de forma precisa los datos de segundo,minuto, hora, día y mes cada vez que se detecta a travésdel encoder óptico un incremento de 0,25 mm de lluvia,información que permite posteriormente graficar la curvade masa.

D. Puerto SeriePara transmitir los datos obtenidos hacia una estación

central donde se realizará el posprocesamiento de losmismos, se implementa la comunicación serie a travésde la interfaz RS-232. Los datos que se transmiten son elincremento de la altura del vástago junto con los registrosde tiempo del RTC. La comunicación serie se utiliza parapoder comunicar al equipo con un autómata utilizando elprotocolo MODBUS con el fin de insertar este equipo enun sistema de telecontrol.

E. Memoria de registroPara el almacenamiento de los datos se emplea una

memoria serie EEPROM de 64Kx8. En ella se almacenaránlos datos de lluvia junto a la hora y fecha en que la mismaocurre. El dato de lluvia que se almacena, es el de lacantidad de pulsos de subida detectados antes de que se

En el diseño del encoder óptico incremental lofundamental es ubicar los dos pares ópticos en cuadratura.Esto se logra poniendo sus ventanas de detección a unadistancia igual a la mitad del valor de la resolución delpatrón diseñado. Como la resolución del patrón es de2,5 mm, las ventanas de detección de los pares ópticosdeben ubicarse a 1,25 mm una de la otra, es decir una alinicio de una zona opaca y la otra a la mitad de la misma.Al ser esta distancia muy pequeña para poder ubicar a losdos pares, hay que ubicarlos a una distancia mayor quepermita mantenerlos en cuadratura y los deje lo más cercaposible uno del otro de acuerdo con sus dimensionesfísicas. Esta distancia sería igual a los 1,25 mmcorrespondientes a la mitad de una zona opaca, más ladistancia existente para llegar a la mitad de la próximazona opaca. La distancia a la que se ubican estos parespara obtener la cuadratura es de 6,25 mm midiendo desdeel centro de las ventanas de detección, como se muestra

FIGURA 7Resolución del patrón lineal.

FIGURA 8Cuadratura del encoder.

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Medición de la intensidad de la lluvia empleando el pluviógrafo P-2 automatizado

vacíe la cámara de flotación, dato que se hace coincidircon la altura que va alcanzando el vástago. En el equipodiseñado la altura máxima posible es de treinta y ochosubidas, equivalente a 9,5 mm de agua dentro de lacámara de flotación. En la tabla 1 se muestra la cantidadde bits necesarios por cada dato a guardar.

Cada dato de lluvia y momento en que esta ocurre tendráun tamaño en memoria de 4 bytes. Teniendo en cuentaque la resolución impuesta al patrón fue de 0,25 mm, a1 mm de lluvia corresponderán cuatro detecciones desubida, en la memoria se pueden almacenar datos para4 000 mm de lluvia.

En la tabla 2 se observa el formato en que quedanguardados los datos en la memoria.

La memoria de registro es portátil y puede ser extraídadel equipo para ser descargada en una computadoraevitando la necesidad de llevar el registrador hasta el localde la computadora o tener que llevar una computadoraportátil para descargar los datos. No obstante esta últimaopción es posible porque el equipo tiene comunicaciónserie y mediante ella puede ser reconfigurado y descargadala memoria.

F. ElectroimánPara dar solución a la automatización del vaciado del

pluviógrafo se decidió utilizar un electroimán para quehiciera la función del mecanismo de contrapeso dándoleun impulso hacia abajo al vástago para vaciar la cámarade flotación. En la figura 9 se muestra el electroimánubicado en el pluviógrafo automatizado.

Tabla 1Cantidad de bits necesarios por cadadato a guardar

Dato In tervalo Cantidad de b its

Segundo 0 a 59 6

Minuto 0 a 59 6

Hora 0 a 23 5

D ía 1 a 31 5

Mes 1 a 12 4

Lluvia 1 a 38 6

Tota l 32

Tabla 2Formato en que guardan los datos de la memoria

Bit

7 6 5 4 3 2 1 0

1 H.1 H.0 M.5 M.4 M.3 M.2 M.1 M.0

2 D.4 D.3 D.2 D.1 D.0 H.4 H.3 H.2

3 L.3 L.2 L.1 L.0 Me.3 Me.2 Me.1 Me.0

4 L.5 L.4 S.5 S.4 S.3 S.2 S.1 S.0

FIGURA 9Electroimán.

Por último el diseño incluye una tecla para detener alequipo y un led para conocer si el mismo está trabajandoo detenido, pues se ha decidido no incluir displays en eldiseño. También cuenta con un conector ISP (In SystemProgramin) que permite programar el microcontrolador sinnecesidad de extraerlo del equipo.

RESULTADOS Y DISCUSIONESPara comprobar el funcionamiento del equipo

desarrollado se realizan pruebas reales con el equipo enel laboratorio del CIH para comprobar su funcionamientoen la práctica.

Las pruebas consisten en someter al equipo diferentescaudales que simulan intensidades de lluvia. El objetivoes comprobar si el equipo es capaz de registrar dichasintensidades sin perder muestras, si la transmisión por elpuerto serie y la escritura en memoria funcionan bien ycomprobar que el electroimán es capaz de cebar al equiposin importar la intensidad de lluvia que se esté reportando.

Para probar la transmisión por el puerto serie se utilizauna computadora y la herramienta del Proteus TerminalVirtual antes explicada, la cual permite visualizar losregistros de precipitaciones en la pantalla de lacomputadora.

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Cada dato se almacena en la memoria y la forma decomprobar que la escritura ha sido correcta es utilizandoun programador paralelo para leerla.

Se emplea una manguera conectada a una tubería pordonde circula el agua que es impulsada por unamotobomba. El otro extremo de la manguera se introduceen una válvula, la cual se regula para lograr el caudalcorrespondiente a la intensidad de lluvia deseada.

La forma de calcular el caudal a partir de la intensidades a través de la ecuación (1)

Q A I ...(1)

donde:Q: Caudal.A: Área de captación del embudo colector del pluviógrafo,la cual es de 500 cm2.I: Intensidad de las precipitaciones.4

Una vez calculado el caudal a partir de la intensidaddeseada se intenta administrar ese caudal regulando laválvula. La forma de medir el caudal administrado es poraforo volumétrico empleando una probeta graduada y uncronómetro. El valor de caudal se obtiene de laecuación (2).

VQ t ...(2)

donde:V: Volumen.T: Tiempo.4

La forma de realizar la medición es tomando el tiempoque demora en llenarse un volumen determinado de laprobeta. La probeta empleada es de 50 mL con graduaciónde 0,5 mL y el cronómetro tiene una resolución de unadécima de segundo.

Una vez obtenidos los datos de lluvia junto a la hora yfecha que esta ocurre, se realiza la curva de masa paraobtener el dato de la intensidad a partir de la pendiente dela línea de tendencia de la curva. El buen funcionamientodel equipo se comprueba si, al comparar la intensidad delluvia que se obtiene a partir de la curva de masa con laintensidad de lluvia que se está administrando alpluviógrafo, se obtienen valores similares.

Se realizaron cinco pruebas, en las cuales se sometióal equipo a caudales de agua correspondientes a lluviasde diferentes intensidades. Se tomó como caso extremouna intensidad de 180 mm/h, de acuerdo con la decisióninicial de lluvia máxima que debe detectar el equipo.

Las cuatro primeras pruebas se realizaron para caudalesconstantes producto de intensidades de 180; 110; 50 y5 mm/h y la quinta para un caudal variable.

Se comenzó por la intensidad máxima que se desearegistrar de 180 mm/h para conocer si el equipo cumplecon los requisitos propuestos. El caudal a administrar,que se calcula sustituyendo en la ecuación 1, es de2,5 mm/s. Para generar este caudal de agua se debe

regular la válvula hasta lograr llenar 50 mL de la probetaen 20 s. Por problemas de regulación de la válvula se hizomuy difícil obtener el caudal de agua exacto, obteniéndose50 mL en 21 s. Al sustituir en la ecuación (2) se obtieneque el caudal administrado es de 2,39 mL/s. A partir deeste caudal, y despejando de la ecuación (1), se obtieneque el valor real de intensidad de lluvia administrado esde 171,36 mm/h.

Una vez concluida la prueba, con los datos obtenidosen la computadora a través del puerto serie se realizaronlas curvas de masa correspondientes a los dos primerosllenados del dispositivo para calcular la intensidad. En lafigura 10 se ilustran las curvas de masa obtenidas consus líneas de tendencia.

FIGURA 10Curvas de masa para intensidad de 180 mm/h.

Como los valores de las gráficas están en segundos,para hallar el valor de intensidad en milímetros por horaes necesario multiplicar el valor de las pendientesobtenidas por 3 600. Al multiplicar se obtiene el siguienteresultado:

I1 = 172,08 mm/hI2 = 158,4 mm/hDurante el primer llenado se lograron los resultados

esperados. No se perdieron datos en las mediciones y elelectroimán fue capaz de cebar al pluviógrafo en el instantedeseado. La intensidad de lluvia obtenida es cercana a laadministrada al pluviógrafo en el experimento, con un errordel 4,4 % de la lectura.

En el segundo llenado, manteniendo el mismo caudaldel primero, no se obtuvieron los mismos resultados. Estose debe a dos razones; la primera es que el caudal fuedisminuyendo como resultado de la dificultad de mantenerun caudal constante con las instalaciones y dispositivoscon que se realizaron las pruebas. La segunda razón esun pulso de bajada que se detectó sin haberse activado elelectroimán, lo que produjo que se repitiera la misma alturadel vástago en dos ocasiones provocando una variaciónen la pendiente. Esta bajada se detectó gracias a lacorrección de errores implementada. La causa no seconoce, pero de no haberse detectado dicha bajada elequipo pudo quedar descalibrado y no se hubiera activadoel electroimán.

Para evitar que este tipo de errores influya en elresultado, se recomienda, en el posprocesamiento de losdatos, representar las curvas de masas por separado apartir del dato o los datos repetidos. En la figura 11 semuestra el segundo llenado representado en dos curvasde masa.I antes de la bajada detectada = 165,6 mm/hI después de la bajada detectada = 162 mm/h

Como se puede observar, se obtienen dos intensidadesmás acertadas que la obtenida anteriormente.

En el resto de las pruebas se siguieron las mismascondiciones que en la primera, lográndose resultadosbastante cercanos a los esperados.

La última prueba se realizó para simular una lluvia realen la que aparecen varias intensidades, incluso se dejóde verter agua en el pluviógrafo durante un intervalo detiempo para comprobar el comportamiento del equipo enel momento que escampa.

Con los resultados obtenidos a través del puerto seriese simuló la curva de masa que se muestra en lafigura 12.Las intensidades de lluvia obtenidas fueron:I1 = 158,4 mm/h I4 = 54 mm/hI2 = 7,2 mm/h I5 = 3,6 mm/hI3 = 86,4 mm/h I6 = 194,4 mm/h

Durante los 15 min de la prueba experimental sedetectaron seis intensidades de lluvia distintas, destacandoel máximo de 194,4 mm/h. La mínima detectadacorresponde a un período sin lluvia, pero como el equipoalmacena y envía datos cada vez que detecta subidas,resulta imposible obtener una curva con pendiente cero.

Al concluir las pruebas los resultados fueronsatisfactorios, obteniéndose errores de lectura menores

del 5 % para los valores de intensidades de lluviaregistrados. Estos errores no son causados por el equipo,son producto de que en las condiciones en que se realizaronlas pruebas no era posible mantener un caudal de aguaconstante debido a lo muy pequeño de este.

En las pruebas realizadas el equipo no perdió muestras,demostración que los errores obtenidos en la medición noson debido él.

Se comprobó que el equipo trabaja bien paraintensidades de lluvia de 5; 50; 110 y 180 mm/h; ademásde que detecta las variaciones y la ausencia deprecipitaciones sin problemas. La máxima intensidad delluvia detectada fue de 194,4 mm/h, en la prueba a caudalvariable, superior al máximo valor que se desea detectarde 180 mm/h.

Se realizó la transmisión por el puerto serie y la escrituraen memoria de forma correcta. El electroimán logró cebaral pluviógrafo en todas las ocasiones gracias a lavalidación de errores realizada en el algoritmo de atenciónal vaciado del dispositivo. Por lo que el dispositivo cumplecon los requisitos para los que fue diseñado.

CONCLUSIONESLas pruebas realizadas permiten comprobar el buen

funcionamiento del prototipo diseñado y que este cumplecon los requisitos de diseño, al obtenerse resultados muysatisfactorios y comprobarse que el equipo no introduceerrores en las mediciones.

Un análisis del costo de los pluviógrafos en el mercadointernacional y de los componentes necesarios para larealización del mismo permite comprobar la factibilidadde automatizar los pluviógrafos P-2 existentes en el paísantes que adquirir ejemplares a costos muy superiores enel mercado mundial. Por lo que se llega a que esta es lasolución más factible para lograr rehabilitar la redpluviográfica del país.

REFERENCIAS1. Principios de hidrogeografía. Textos universitarios, No.1.

Disponible en: www.igeograf.unam.mx/instituto/publicaciones /libros /hidrogeografia /cp2.pdf.

2. BARKER, A. G.: Rain and Like Precipitation Gauges.U. S. Patent No. 3243999, abril 5, 1966.

3. Manual de instrumentos para el observadormeteorológico. Departamento del Instrumentos, Institutode Meteorología. 1988.

4. CAMPOS, ARANDA.: Procesos del ciclo hidrológico.Cap. 4. 1992.

5. Descripción del pluviómetro. Disponible en: www.pluviometro.com/nuesplu/descripplu.htm6. SEGERER, CARLOS y RUBÉN, VILLODAS.:

Hidrología I. Argentina, 2006.7. TABERNER, RAFAEL.: Encoders ópticos. Disponible

en: www.gii.upv.es

FIGURA 11Curva de masa del segundo llenado para 180 mm/h.

FIGURA 12Curva de masa para intensidades variables.

Recibido: enero 2007Aprobado: marzo 2007