La medición de las variables meteorológicas que en la mayor parte son variables físicas

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1 IINSTRUMENTOS METEOROLOGICOS ESTACIONES METEOROLOGICAS El lugar en donde se realiza la evaluación de uno o varios elementos meteorológicos se denomina regularmente Estación Meteorológica. Las estaciones meteorológicas se clasifican en varios tipos según los objetivos y los parámetros que se desee medir, entre las principales podemos citar las siguientes: Climatológicas Agrometeorológicas Sinópticas (de superficie y en altitud) Aeronáuticas Especiales Las estaciones meteorológicas se establecen en la superficie de la tierra, el mar y deben estar espaciadas de tal manera que sea representativa del sector y garantice una cobertura meteorológica adecuada. Por ejemplo la distancia entre estaciones sinópticas principales en la superficie no debe ser superior a los 150 km., entre estaciones de altitud no debe sobrepasar los 300 Km. El espaciamiento óptimo de las estaciones de observación es aquel por el cual el costo ha sido tomado en consideración, en función al objetivo para el que los datos deben utilizarse, la variabilidad temporal y espacial del elemento meteorológico observado y la naturaleza de la topografía de la región donde debe establecerse. Medición de las variables del Clima o meteorológicas La medición de las variables meteorológicas que en la mayor parte son variables físicas Con el objeto de obtener resultados comparables de los puntos de observación de la red meteorológica, además de un programa unificado de observación, es necesario procurar un cierto grado de uniformidad con respecto a los parámetros de los instrumentos de medición. Deben utilizarse instrumentos con características operacionales y exactitud análogas con enfoques uniformes en lo referente al mantenimiento y calibración. Los programas de observaciones deben ser los mismos en todo el globo terrestre usando una sola escala de tiempo ( Tiempo Medio de Greenwich, GTM). Razón por la cual existe un Organismo que norma y reglamenta las actividades meteorológicas que es la Organización Meteorológica Mundial OMM. Todos los instrumentos de medición directos, según su forma en que indican la información se clasifican en : a) Instrumentos de medición analógica b) Instrumentos de medición digital a) SENSOR CONVERTIDOR DE SEÑALES INDICADOR O REGISTRADOR ANALOGICO El instrumento meteorológico digital proporciona una representación del valor de la cantidad de medida en una forma numérica discreta. b) SENSOR CONVERTIDOR ANALOGICO / DIGITAL REPRESENTACION O IMPRESION DIGITAL 1

2 TERMOMETROS El termómetro es el instrumento que mide la temperatura según una escala térmica previamente determinada. Existen varias escalas y tipos de termómetros. Entre las escalas térmicas tenemos: CELSIUS O CENTIGRADA Está determinada por dos temperaturas básicas de referencia que son: El punto de fusión del hielo como el 0 C y el punto de ebullición del agua como 100 C en condiciones normales. P = Hpa; g = cm / s ; H = 0 m sobre el nivel del mar. ESCALA ABSOLUTA O KELVIN La unidad termodinámica de la temperatura en el Sistema Internacional SI está determinada por la escala Kelvin y como punto de referencia tiene la temperatura del punto triple del agua pura, es decir la temperatura a la cual el agua esta en equilibrio simultáneo en sus tres estados: Sólido, Líquido y Gaseoso y es igual a K, es decir 0,01 K más que el punto de fusión. K = t C Además de estas escalas existen otras como la FARENHEIT y la REAMUR F = 9/5 t C + 32 que son muy poca usadas en la actualidad. R = 4/9 ( t F - 32) Termómetros Líquidos Termómetros Gaseosos Termómetros Eléctricos Termómetros de Deformación TERMOMETROS LIQUIDOS TIPO DE TERMOMETROS Todos los cuerpos líquidos, sólidos y gaseosos se dilatan o cambian de volumen con las variaciones de temperatura y gracias a estas propiedades físicas de los cuerpos, en meteorología se utilizan según las necesidades, termómetros de alcohol o mercurio. Estos termómetros hacen uso de la dilatación diferencial de un líquido puro con respecto al tubo de vidrio que lo contiene. Para que la dilatación sea más visible el cuerpo térmico esta formado por un bulbo o depósito unido con el tubo capilar muy delgado en el que se refleja con gran sensibilidad las variaciones de volumen. 2

3 las variaciones de volumen del líquido son indicados por los cambios de longitud del líquido en el interior del capilar. La escala térmica se graba mediante la calibración con respecto a un termómetro patrón nacional o regional. Si los termómetros van a prestar servicio en una Red de Estaciones Meteorológicas estos deberán ser contrastados con referencia a un termómetro patrón en una Cámara Termométrica y llevar consigo una tarjeta de contraste, el error no deberá ser mayor a ± 0.3 C. El tipo de líquido termométrico que se utilice en la construcción de los diferentes termómetros va ha depender del tipo de temperatura que vaya ha medir. En la construcción de termómetros para fines meteorológicos los líquidos que se utilizan son: El mercurio, el alcohol etílico, el pentano, el tolueno, y mercurio - talio. El mercurio generalmente se utiliza en la construcción de termómetros con fines meteorológicos por: a) Se puede obtener la pureza perfecta b) Su punto de ebullición es de 360 C, de congelación C. Encontrándose entre estos márgenes la mayoría de temperaturas que se registran en la naturaleza. c) El mercurio por ser un metal líquido adquiere rápidamente la temperatura del medio ambiente que lo rodea. El alcohol etílico se utiliza en la construcción de termómetros para la medición de temperaturas mínimas, ya que su punto de congelación es de -130 C y de ebullición 79 C, aunque con bajas temperaturas pierde fluidez. El tolueno se utiliza con los mismos fines, con una ventaja que con temperaturas de - 70 C conserva su fluidez, su punto de ebullición es de 110 C. El vidrio que se utiliza en la construcción de los termómetros debe tener un pequeño coeficiente de dilatación para evitar y disminuir los errores por instrumental. En meteorología los termómetros líquidos se dividen en : - Termómetros Normales (psicrómetro seco y húmedo) - Termómetros de Máxima - Termómetros de Mínima - Geotermómetros o termómetros de subsuelo - Termómetros de temperaturas extremas de la superficie - Termómetros tipo Six TERMOMETROS NORMALES Estos termómetros son mercuriales, se utilizan en los psicrómetros para medir la temperatura ambiental ( fig. 1) deben ir acompañados de un certificado de calibración, que especifique una precisión de C al menos para seis puntos equidistantes en toda la gama de temperaturas. En las estaciones sinópticas los termómetros deben ser contrastados cada uno o dos años con un termómetro patrón. Cuando los termómetros psicrométricos se utilizan en forma de pares deben elegirse de modo que las diferencias se reduzcan al 3

4 mínimo entre los dos termómetros. Las tolerancias recomendadas para estas diferencias son ± 0.2 C para temperaturas positivas y de ± 0.1 C para temperaturas negativas. ( fig. 1 ) a) Termómetro Seco b) Termómetro Húmedo c) Ventilador de cuerda ( aspirador psicrométrico) d) Termómetro de Máxima c) Termómetro de Mínima El psicrómetro tipo AUGUST esta constituido por un par de termómetros psicrométricos: un termómetro de bulbo seco y un termómetro de bulbo húmedo el mismo que se halla recubierto de muselina. Mediante tablas psicrométricas previamente calculadas, según la presión de la estación o lugar de medición, podemos obtener valores de la humedad relativa ( HR ), punto de rocío ( PR ), y tensión de vapor ( TV ). 4

5 ( fig. 2 ) Psicrómetro según ASSMANN puede efectuar mediciones de la humedad con exactitud de ± 1 %, bajo condiciones de servicio desfavorables. Este instrumento es de manejo fácil y posee gran exactitud, tratándose de temperaturas -20 C también pueden obtenerse resultados de medición suficientemente exactos. En el lado frontal del instrumento hay un aspirador de muelle el cual aspira el aire a examinar referente a la humedad, abajo los tubos protectores de los termómetros con una velocidad superior a 2 m/s. A continuación al aire pasa al tubo de conexión céntrico y es expulsado por las aberturas en el borde del aspirador, por medio de las alas del aspirador. Cada uno de dos recipientes termométricos está rodeado de dos tubos protectores dispuestos concéntricamente a los recipientes, y están aislados contra el calor recíprocamente y contra las partes restantes del instrumento. Una parte del aire aspirado pasa por los recipientes termométricos y por los tubos protectores interiores, mientras que la otra corriente parcial pasa por los tubos protectores interiores y por los tubos protectores exteriores pulidos altamente brillantes y cromados. De manera, que los recipientes termométricos están protegidos excelentemente contra la conductividad y la radiación térmica, de manera que es posible realizar mediciones perfectas en lugares intensamente soleados. 5

6 ( fig. 3 ) TERMOMETRO DE MAXIMA a) Termómetro de Máxima b) Termómetro de Mínima c) Estrangulamiento termómetro de máxima d) Menisco termómetro de mínima El tipo recomendado es el termómetro mercurial con un estrangulamiento en el tubo capilar, entre el deposito de mercurio ( bulbo ) y el principio de la escala. Este estrechamiento impide a la columna de mercurio contraerse cuando la temperatura desciende. No obstante, el termómetro puede ponerse de nuevo en estación cuando se quiera y para ello el observador debe sujetarlo firmemente con el bulbo hacia abajo y sacudirlo hasta que el mercurio de la columna vuelva a unirse. El termómetro de máxima debe estar montado en el soporte formando un ángulo de uno o dos grados con respecto a la horizontal, el bulbo debe ocupar la parte más baja para garantizar que la columna de mercurio se apoye sobre el estrangulamiento sin que la gravedad lo obligue a pasar por él ( fig. 3). TERMOMETRO DE MINIMA El instrumento más común es el termómetro de alcohol con un índice de vidrio oscuro, de unos dos centímetros de longitud, inmerso en el alcohol. El bulbo de los termómetros de mínima son en forma de U con el fin de almacenar mayor cantidad de líquido térmico debido a su densidad, en su extremo superior debe existir una cámara de seguridad suficientemente amplia para que el instrumento pueda soportar una temperatura de 50 C. Los termómetros de mínima deben tener un soporte similar al de los termómetros de máxima, en su posición casi horizontal (fig. 3 ). Los defectos de los termómetros de mínima son los comunes a todos los termómetros de alcohol; el más habitual es la rotura de la columna, especialmente durante los desplazamientos, y la adherencia del alcohol al vidrio. Frecuentemente se forman gotas de alcohol por destilación en la parte superior de la columna. Una columna de líquido rota puede unirse de nuevo sujetando el termómetro por el extremo del bulbo y golpeándolo ligeramente pero con rapidez contra los dedos o cualquier otro material elástico y no demasiado duro. Estos golpecitos deben continuar durante algún tiempo y después el termómetro se lo debe mantener verticalmente con el bulbo hacia abajo durante al menos una hora para que el alcohol adherido al vidrio descienda hasta unirse con la columna principal. Si el método no da resultado, se puede utilizar un método 6

7 más enérgico que consiste en enfriar el bulbo en una mezcla de hielo y sal manteniendo caliente al mismo tiempo la parte superior del tubo; el líquido destilará lentamente hacia la columna principal. También se puede introducir el termómetro verticalmente en agua caliente, cuidando que en el momento que el alcohol alcance la cámara de seguridad se lo debe sacar, para evitar que explote el termómetro si el alcohol se dilata dentro de la cámara de seguridad. En los termómetros de mínima se pueden utilizar distintos líquidos tales como alcohol etílico, el pentano y el tolueno. Es importante que el líquido sea lo más puro posible, ya que la presencia de determinadas impurezas aumenta la tendencia del líquido a polimerizarse con la exposición a la luz y con el transcurso del tiempo. Esta polimerización causa cambios de calibración. GEOTERMOMETROS O TERMOMETROS PARA LA TEMPERATURA DEL SUELO Estos termómetros son mercuriales y se utilizan para medir la temperatura del subsuelo a diferentes profundidades como son: 2, 5, 10, 15, 20, 30, 50, y 100 cm estos se diferencian entre si, únicamente por el nivel en el que se halla sumergido el bulbo del termómetro. Existen termómetros para medir temperaturas extremas a 2, 5, 10 y 20 cm. Para medir temperaturas a profundidades de 50 cm o más, se recomiendan los termómetros de mercurio montados en el interior de tubos de madera, de vidrio o plástico, con sus depósitos recubiertos de cera o pintura metálica. El conjunto termómetro - tubo se suspende o desliza dentro de otros tubos de pared delgada de metal o plástico, introducidos en el terreno hasta la profundidad requerida. Una gran constante tiempo debida a la elevada capacidad calorífica del conjunto permite sacar los termómetros de los tubos exteriores y leerlos sin que la temperatura haya tenido tiempo de cambiar apreciablemente con respecto a la temperatura del suelo. TERMOMETROS TIPO SIX Estos termómetros fue creado por James Six. Este tipo de termómetros han llegado a ser populares porque no sólo indican la temperatura momentánea, sino que también marcan la temperatura máxima y mínima que ha existido desde la observación anterior. Esta constituido de un tubo capilar en forma de U. En la parte inferior de este tubo capilar hay mercurio y encima del mercurio en los dos lados hay creosota. El lado izquierdo está completamente lleno de creosota, mientras que el lado derecho sólo lleva relleno de creosota una parte. El lado izquierdo sirve de parte sensible a la temperatura. Al aumentar la temperatura, se dilata la creosota que hay en lado izquierdo empujando el mercurio en dirección al lado derecho. Al bajar la temperatura el volumen de líquido medidor disminuye y el mercurio es empujado en dirección al lado izquierdo por causa de la presión de vapor existente en el lado derecho. Dos espigas metálicas ( meniscos ) que van rozando dentro del tubo capilar y que pueden ser rodeados del líquido térmico pero no del mercurio que solamente sirve de líquido obturante, son movidas por los dos meniscos de mercurio. Se quedan en la misma posición al retirarse el mercurio. Sus bordes inferiores indican la temperatura máxima y mínima respectivamente. Después de realizar la lectura de las temperaturas se hacen retroceder las espigas indicadoras ( meniscos ) a los meniscos del mercurio, mediante el imán suministrado con el termómetro. Este tipo de termómetros son utilizados para la medición de las temperaturas del agua en el tanque de evaporación tipo A. TERMOMETROS GASEOSOS Este tipo de termómetro utiliza los cambios de presión de un gas cuyo volumen se mantiene constante. El gas generalmente es hidrógeno o helio, está contenido en el deposito C de la ( fig. 4 ), la presión ejercida sobre él puede medirse mediante un manómetro abierto de mercurio. Cuando se eleva la temperatura del gas, se dilata, obligando al mercurio a descender en el tubo B y al elevarse al tubo A. Los tubos A y B están unidos por el tubo flexible de goma, D, y elevando A puede hacerse que el nivel de mercurio en B vuelva a la señal de referencia E. De este modo, el gas se mantiene a volumen constante. 7

8 ( fig. 4 ) LECTURA DE LOS TERMOMETROS Los termómetros deben leerse con la mayor rapidez que sea compatible con la precisión a fin de evitar cambios de temperatura debidos a la presencia del observador. Como el menisco del líquido térmico o índice de la escala del termómetro no están en el mismo plano, se debe tratar de evitar el error de paralaje (fig. 5 ). ( fig. 5 ) En general de debe tratar de evitar: 1.- El aliento del observador, que puede calentar el termómetro al efectuar las lecturas. 2.- El error de paralaje esto es que el rayo visual sea perpendicular al menisco del termómetro. 3.- Las lecturas deben hacerse rápidamente para evitar que el calor irradiado por el cuerpo del observador influya en las lecturas del termómetro. 4.- No se debe omitir el signo - (menos) el cual se coloca precediendo a las lecturas cuando las temperaturas están bajo cero. 5.- Cuando al efectuar las lecturas no se observe fracción de grados, el lugar correspondiente a los décimos se llenara con la cifra 0. 8

9 6.- Se deberá sumar o restar el error con contrastación que se determine en la tarjeta de calibración. TERMOMETROS ELECTRICOS Los instrumentos eléctricos son cada vez más populares para medir la temperatura en meteorología. Su principal virtud es su capacidad de dar una señal de salida adecuada para su utilización en la lectura a distancia, registro archivo o transmisión de los datos de temperatura. Con respecto a los que funcionan por expansión térmica presentan importantes ventajas a más de las ya indicadas. Forman parte de un circuito eléctrico y pueden así ser adosados a unidad de procesamiento cuya señal es una señal digital o analógica que puede ser registrada automáticamente. Pueden ser fabricados en dimensiones muy pequeñas del orden de 1 cm o menos y de peso de 1 gr. lo cual los hace óptimos para ser ubicados a bordo de radiosondas, cohetes, globos de cota fija y todo sistema de medición que presenta restricciones en cuanto a su peso y tamaño. Dadas las ventajas expuestas no tienen prácticamente inercia, es decir indican instantáneamente cambios de temperatura de hasta menos un décimo de grado. Pueden ser utilizados como elementos sensibles de termógrafos. Existen de tres tipos: De resistencia De capacitancia variable Termocuplas TERMOMETROS DE RESISTENCIA ELECTRICA Para representar la temperatura se puede utilizar la medida de la resistencia eléctrica de un material cuya resistencia varía con la temperatura de una manera conocida. Para pequeños cambios de temperatura, el aumento de resistencia de los metales puros es proporcional al cambio de temperatura, tal como expresa la siguiente ecuación: R = R [ 1 + α ( T - T ) T donde ( T - T ) es pequeño R T es la resistencia de una cantidad fija de metal a la temperatura T en Kelvins; R α es la resistencia a una temperatura de referencia T ; y es el coeficiente de temperatura de la resistencia en las proximidades de T Con 0 C como temperatura de referencia la ecuación ( 1.0) se transforma: R = R ( 1 + α t ) t 9

10 Un buen termómetro de resistencia metálica satisfará los siguientes requisitos: a) Sus propiedades físicas y químicas permanecerán inalterables a lo largo de toda la gama de temperatura; b) Su resistencia aumentará uniformemente al aumentar la temperatura, sin ninguna discontinuidad en la gama medida; c) Las influencias externas, tales como la humedad, corrosión o deformaciones físicas, no alterarán sensiblemente su resistencia; d) Su resistividad y coeficiente térmico de resistividad serán lo suficientemente grandes como para que resulten muy eficaces en un circuito de medida. El platino puro es el que mejor satisface los citados requisitos. Por consiguiente, se utiliza en los termómetros patrón primarios. El cobre es un material adecuado como para utilizar en los patrones secundarios. Los termómetros prácticos se envejecen artificialmente antes de usarlos y, habitualmente para fines meteorológicos se hacen de aleaciones de platino, níquel o cobre ( y ocasionalmente tungsteno). RESISTENCIA DE TERMISTORES Otro tipo de elemento de resistencia comúnmente utilizado es el termistor. Se trata de un semiconductor que tiene un coeficiente de resistencia térmico relativamente grande, y puede ser positivo o negativo según sea el material de que esta hecho. Las mezclas de óxidos metálicos conglomerados sirven perfectamente para fabricar termistores prácticos, que habitualmente adquieren la forma de pequeños discos, barras o esferas con frecuencia recubiertas de una capa de vidrio. La expresión general de la dependencia de la resistencia con respecto a la temperatura R del termistor ésta dada por la siguiente ecuación. R = a exp ( b / T ) donde a y b son constantes y T es la temperatura del termistor en kelvins. Las ventajas de los termistores, desde un punto de vista termométrico, son las siguientes: a) El gran coeficiente de temperatura de la resistencia permite que el voltaje aplicado a través de un puente de resistencia sea muy reducido, manteniendo la misma sensibilidad y reduciendo por lo tanto, o incluso eliminando, la necesidad de tener en cuenta la resistencia de los cables y cambios. b) Los elementos pueden ser de tamaño muy pequeño de modo que sus muy bajas capacitancias térmicas pueden producir pequeñas constantes de tiempo. No obstante, los termistores muy pequeños de baja capacidad térmica tienen la desventaja de que, para determinada disipación, el efecto de autocalentamiento es mayor que en los grandes termómetros. Así pues se debe cuidar de mantener baja capacidad de disipación. Tanto los termistores como resistores se leen con un puente de Wheatstone por el método nulo o de reflexión. ( fig. 6 ). 10

11 ( fig. 6) TERMOMETROS DE CAPACITANCIA VARIABLE Consisten en capacitores con electrodos de metal y en su interior tienen un dieléctrico sólido de cerámica cuya constante varía en función de la temperatura del medio. dado que la capacitancia es función de la constante dieléctrica, al variar ésta varía la capacitancia y por lo tanto, la frecuencia de emisión. METODOS DE MEDIDA Los termómetros de resistencia pueden estar conectados con gran variedad de circuitos eléctricos de medida, muchos de los cuales son variaciones de los circuitos de puente de resistencia en forma equilibrada o desequilibrada. En un puente equilibrado se ajusta un potenciómetro de precisión hasta que no pase corriente en un indicador; la posición del brazo del potenciómetro está relacionada con la temperatura. En un puente desequilibrado, la corriente no es simplemente función de la temperatura sino depende en parte de otros efectos. Como solución alternativa que evita esta situación citaremos el uso de una fuente constante de corriente para alimentar el puente y medir el voltaje de desequilibrio con miras a obtener la lectura de temperatura. TERMOPARES O TERMOCUPLAS Se las denomina también cuplas termoeléctricas o pares termoeléctricos. Se basan en los efectos de Seebeck y Peltier. ( fig. 7 ) Efecto Peltier: cuando se unen dos conductores de materiales distintos pero de una misma temperatura habrá una difusión de electrones de uno a otro hasta que se establezca en la unión de ambos un campo eléctrico de tal magnitud que los mantenga en equilibrio ( fig. 7 ). La unión de ambos metales se convierten así en una fuerza electromotriz la cual es función de los metales y de la temperatura de la unión de dichos metales. 11

12 Efecto Seebeck: si se cierra el circuito formado por la unión de dos metales con las soldaduras a distintas temperaturas habrá un gradiente entre ambas. Como la temperatura de una unión T1 es distinta a las temperaturas de T2 de la otra, la fuerza electromotriz FEM de Peltier en T1 es distinta a la FEM de Peltier en T2 y circulará corriente en el sentido de la mayor FEM. El voltaje total es función de los tipos de metales que se usan y de la diferencia de temperatura entre T1 y T2. 2 V = K ( 1 + a ( T2 - T1 ) b ( T2 - T1)... En meteorología los termopares se utilizan principalmente cuando se necesita un termómetro de muy pequeña constante de tiempo y capaz de realizar lecturas y registros a distancia, habitualmente para fines especiales de investigación. Una de las desventajas de los termopares, si se requieren temperaturas absolutas, es la necesidad de disponer de un recinto de temperatura constante para la unión fría y de aparatos auxiliares para la medida de la fuerza electromotriz. La mejor aplicación de los termopares es la de la medida de las temperaturas diferenciales. Las combinaciones cobre-constantan o hierro-constantan resultan adecuadas para fines meteorológicos, ya que la fuerza electromotriz producida por grado celcius es mayor que la de los metales raros y caros que se utilizan habitualmente a elevadas temperaturas. METODOS DE MEDIDA La utilización de la deflección de un dispositivo de medida requiere un esfuerzo técnico mínimo. Las fuentes de error son la siguientes: a) La resistencia del termoelemento y si dependencia de la temperatura; b) las líneas de suministro eléctrico y los cables de compensación; c) El dispositivo de medida y su resistencia en serie. TECNICAS DIGITALES Los procedimientos digitales de medida se utilizan cada vez más debido a su gran precisión y a la posibilidad que ofrecen de transmisión, indicación, archivo y procedimiento. Por otra parte cuando se utiliza un ordenador digital para la adquisición y procesamiento de datos procedentes de un gran número de puntos de observación, resultan entonces esenciales la técnicas digitales de medida. En los métodos digitales el valor medido es cuantificado un una integral múltiple de un incremento mínimo ( la resolución ). El valor del incremento mínimo debe ser elegido de tal manera que no afecte demasiado a la precisión de las medidas. Un incremento de aproximadamente de un tercio de la precisión final del instrumento en general se considera que constituye una solución aceptable. Con la medida eléctrica de la temperatura la señales de salida de los sensores son corrientes continuas, voltajes continuos o resistencias ( es decir magnitudes que varían continuamente ). Cuando funciona este equipo en los sistemas digitales de medida es necesario llevar a cabo la cuantificación y conversión a una forma digital codificada. Los rápidos progresos logrados en el campo de la electrónica ha llevado a la utilización de gran número de principios de conversión. Debido a su mayor inmunidad frente al ruido eléctrico, para pasar de sistemas analógicos a digitales habitualmente se utilizan convertidores integrados. (fig. 8 ) 12

13 HOBOS DE TEMPERATURA Estos sensores electrónicos de temperatura, almacenan la información que van generando en una memoria eeprom la misma que dependerá de su capacidad que va desde 1800 mediciones hasta mediciones que se podrán gravar en su memoria, es decir si mediríamos cinco veces al día y 19 duraría 360 días con El elemento sensible de la temperatura es un termistor, posee un sonda o cable de varias longitudes que van desde 30 cm hasta 1.5 m, esta sonda nos permite aplicar en diferentes campos en el área de la meteorología, podemos utilizar para la medición de la temperatura del aire al interior del abrigo meteorológico o en un compartimento especial, para evitar la incidencia directa de los rayos solares. Se puede usar también para la medición de geotemperaturas a diferentes niveles, para la medición de le temperatura del tanque de evaporación. Estos tipos de sensores son muy pequeños aproximadamente de 5 cm x 5cm x 1.5 cm, tiene una autonomía hasta de dos años que es el tiempo de duración e la pila. Para programarles es necesario de software (BoxCar Pro 3.51), de una PC la mas simple 386 es suficiente, el cable de conexión a un pórtico de la PC. La información registrada se puede visualizar mediante gráficos o datos directamente con el software de los HOBOS o se puede gravar, imprimir, realizar acercamientos ( zoom) o exportar a una hoja de calculo. El rango de operación es de 40º C hasta 75 º C con una precisión de 0.4 º C, las mediciones se lo realiza con centésimas de grado centígrado. Estos HOBOS se vienen experimentando en el INAMHI desde hace algunos años con resultados positivos, inclusive con condiciones adversas, en el Glaciar del Antizana han dado resultados muy buenos. (fig. 9) TERMOMETROS DE DEFORMACION 13

14 Los termómetros de deformación están constituidos generalmente por bimetálicos o tubos de bourdon cuyos principales elementos se utilizan en la construcción de los instrumentos registradores, Termógrafos. ( fig. 10 ) TERMOGRAFOS En meteorología es necesario contar con un registro continuo de las variaciones de los diferentes parámetros, un buen registrador deberá permitir el registro del valor del elemento en cualquier momento. Para chequear la veracidad del instrumento registrador debemos comparar la lectura de la escala del instrumento al registrador del instrumento. Existen varios tipos de termógrafos que utilizan diferentes elementos sensibles entre los más comunes son: a) Bimetálico b) Tubo de Bourdon c) Acero en mercurio d) Resistencia eléctrica c) Termocupla Los instrumentos comúnmente en uso todavía están dotados de sensores bimetálicos o de tubo de Bourdon, ya que son relativamente económicos, seguros y portátiles. No obstante, no se adaptan fácilmente al registro a distancia o electrónico. Estos termógrafos incluyen un mecanismo ( sistema de relojería ) de banda rotativa que es común en la familia de instrumentos clásicos de registro. En general los termógrafos deben ser capaces de funcionar dentro de la gama de -10 C a 60 C, o incluso 80 C, si han de ser utilizados en climas continentales. Se necesita una escala tal que la temperatura pueda leerse con precisión de 0,2 C sin dificultad, sobre una banda de tamaño razonable. Para ello, debe ser posible alterar el reglaje del cero del instrumento, en función de la estación del año. El error máximo de un termógrafo no debe exceder de 1 C. TERMOGRAFOS BIMETALICOS El elemento d este instrumento es hecho de dos láminas de metal de bronce e invar fundidas juntas dentro de una unidad, el principio de operación de este instrumento esta basado en un coeficiente diferente de dilatación de estos dos metales: la diferencia de dilatación es utilizada para medir la temperatura. Como estos cambios son difícilmente visibles, esta variación es amplificada por un sistema de palancas cuyo extremo está firmemente unido a un brazo adjunto a la montura. Este brazo debe poderse ajustar con delicadeza de modo que el cero del instrumento pueda variar cuando sea necesario. Además, el instrumento debe tener un deposito que permita alterar los valores de la escala ajustando la longitud de la palanca que transfiere el movimiento del bimetálico a la plumilla; este ajuste debe hacerlo únicamente el personal autorizado. El 14

15 elemento bimetálico debe estar debidamente protegido contra la corrosión; la mejor manera de hacerlo es depositando una capa de cobre, níquel o cromo, por galvanoplastia, aunque también una capa de laca puede ser adecuada en ciertos climas. Se obtiene una típica constante de tiempo de 25 segundos aproximadamente con la velocidad del viento de 5 m/s ( fig. 10 ). TERMOGRAFO DE TUBO BOURDON La disposición general es similar a la del tipo bimetálico, pero el sensor de temperatura tiene la forma de un tubo curvo de metal de sección elíptica plana, pero lleno de alcohol. El tubo Bourdon es menos sensible que el elemento bimetálico y habitualmente requiere un mecanismo de palancas multiplicadoras para dar un valor de escala suficiente. Su constante típica de tiempo es de unos 60 segundos, con una velocidad de 5 m/s. TERMOGRAFO DE ACERO EN MERCURIO Este también usa un tubo Bourdon para operar la pluma de registro pero el elemento es un bulbo lleno de mercurio a alta presión y conectada por acero a la tubería de cobre capilar con el tubo de Bourdon. El instrumento es muy usado para registros lejanos como para registrar las temperaturas del suelo (Geotermógrafos). El termógrafo de acero en mercurio, probablemente es el más confiable, durable y preciso para fines meteorológicos. El coeficiente de retardo es de aproximadamente 4 segundos. TERMOGRAFOS ELECTRICOS Resistencias, termocuplas y termistores son usados en campos aéreos con fines aeronáuticos, son ideales para investigaciones especiales tales como medidas de gradientes de temperatura, las diferentes partes de una planta ( hojas, raíces, tallos, etc.) Estos instrumentos tienen un pequeño coeficiente de retardo ( 1 a 2 segundos ) es necesario mencionar que operan como alguna forma de potenciómetro o como un circuito de puente de fuera de balance. MEDIDA DE LA HUMEDAD ATMOSFERICA Los métodos de la medida de la humedad del aire, utilizamos generalmente en meteorología, se pueden clasificar en los cuatro grupos siguientes: a) Método Termodinámico ( psicrómetros ) b) Método que utiliza el cambio de dimensiones de sustancias higroscópicas ( higrómetros de cabello) c) Método que utiliza el cambio de resistencia eléctrica debido a la absorción d) Método de condensación ( higrómetros de punto de rocío o de punto de congelación) Los dos últimos métodos son ampliamente utilizados en las medidas de altitud y además están siendo aplicados cada vez más en las estaciones automáticas. PSICROMETROS REQUISITOS GENERALES El equipo utilizado para las observaciones psicrométricas debe ajustarse, en lo posible, a las siguientes recomendaciones: 15

16 a) Los termómetros Húmedo y Seco deben estar ventilados y protegidos de la radiación al menos por dos pantallas metálicas pulidas y sin pintar, separadas del resto de los aparatos por materiales aislantes, o bien por una garita de celosía en persiana más de una pantalla de metal pulido; b) Al nivel del mar, debe impulsarse el aire para que pase sobre los termómetros a una velocidad no inferior a 2,5 m/s y no mayor a 10 m/s, si los termómetros son de tipo ordinariamente utilizado en las estaciones meteorológicas. Para altitudes considerablemente distintas, estas velocidades límites del aire deben ajustarse en proporción inversa a la densidad de la atmósfera; c) Debe haber conducciones de aire separadas para los dos termómetros; d) Si se utiliza la segunda alternativa del instrumento a), la entrada de los conductos del aire debe estar situada de tal modo que se dé la verdadera temperatura ambiente y el aire debe desembocar sobre la garita en tal posición que impida su recirculación; e) Se debe procurar impedir en todo momento la transferencia de cantidades significativas de calor desde el motor a los termómetros; f) El recipiente de agua y la mecha deben estar dispuestos de tal modo que el agua llegue al depósito del termómetro prácticamente a la misma temperatura que la del depósito del termómetro húmedo; g) Las medidas deben tomarse a una altura comprendida entre 1,25 y 2 metros sobre la superficie del terreno. Para lograr una precisión máxima con los psicrómetros es conveniente adoptar la disposiciones necesarias para que los termómetros húmedo y seco tengan el mismo coeficiente de inercia aproximadamente; aunque los termómetros seco y húmedo tengan el depósito del mismo tamaño, el termómetro húmedo tiene una inercia considerable menor que la del termómetro seco. La muselina que cubre el termómetro húmedo debe estar bien ajustada alrededor MEDIDA DE LA PRECIPITACION 16

17 Se define como precipitación al producto líquido o sólido de la condensación del vapor de agua que cae de las nubes y se deposita en el terreno procedente del aire. Dicho termino comprende la lluvia, el granizo, la nieve, el rocío, la cencellada blanca, la escarcha y la precipitación de la niebla. La cantidad total de precipitación se expresa como el espesor con que habría cubierto, en forma líquida, una superficie horizontal de la tierra. UNIDADES DE MEDIDA Las unidades de medida de la precipitación son lineales. Las cantidades diarias de precipitación deben leerse con una precisión de 0,2 mm y de ser posible, con una precisión de 0,1 mm; las cantidades semanales o mensuales deben leerse con una precisión de 1 mm. las medidas diarias de la precipitación deben efectuarse a horas determinadas. En nuestro país las lecturas diarias de la precipitación se lo realiza a las 07h00. Se puede considerar también la relación volumen superficie 1mm de precipitación es igual a 1 Litro de agua en una superficie de 1m 2. PLUVIOMETROS El pluviómetro es el instrumento más frecuente que se utiliza para medir la precipitación. Se utilizan varios tamaños y formas de la boca y la altura del pluviómetro según los países, la cantidad de precipitación captada de un pluviómetro se mide utilizando una regla graduada para determinar la profundidad, midiendo el volumen o pesando el contenido INSTALACIÓN DEL PLUVIOMETRO La instalación de los Pluviómetros reviste gran importancia porque el número de Pluviómetros y su ubicación determinan la precisión con que las medidas representan la cantidad real de la precipitación que ha caído en la zona. Al elegir el emplazamiento de un pluviómetro se debe tomar en cuenta la deformación sistemática del campo del viento por encima de la boca del pluviómetro, así como los efectos que el lugar mismo ejerce en la trayectoria del aire. Generalmente para que el viento sea horizontal en la boca del pluviómetro se utiliza en paravientos al rededor del instrumento. Los efectos ejercidos por el propio lugar de ubicación pueden motivar excesos o deficiencias locales en la precipitación. En general, la proximidad de cualquier objeto respecto del pluviómetro no deberá ser mayor al doble de la distancia de su altura por encima de la boca del pluviómetro. En la Red Pluviométrica del INAMHI la instalación del los Pluviómetros se lo realiza a 1,20 m de la superficie a la boca del instrumento, el tipo de pluviómetro que se utiliza son los Hellmann de 200 cm 2. (fig. 11) y la medida de la precipitación se lo realiza mediante una probeta graduada en milímetros y décimas y apropiada para este tipo de pluviómetro. El fondo de la probeta debe ser cónico, con el fin de lograr la medición de cantidades muy pequeñas (trazas) de precipitación (0,05 mm o menos) El análisis de la información pluviométrica se hace mucho más fácil si se utiliza el mismo tipo de pluviómetros y se aplican las mismas normas de instalación, particularidad que se deberá tomar en cuenta en la planificación de las Redes. 17

18 (fig.11) PLUVIOGRAFOS Por lo general se utilizan tres tipos de pluviógrafos: el de peso, el de balanza o cangilón y el de sifón. Este tipo de instrumento nos permite registrar o grabar en forma continua la precipitación lo que nos permite calcular la intensidad. PLUVIOGRAFO DE PESA En estos instrumentos, el peso de un recipiente junto con la precipitación acumulada en él se registran continuamente, bien por medio de un mecanismo dotado de un muelle o con otro sistema de balanza de pesas. Se va registrando toda la precipitación a medida que esta cae. Este pluviógrafo no tiene un mecanismo que le permita vaciarse por si mismo, pero existe un sistema de palancas que permite que la pluma recorra la banda las veces que sea necesario. Este tipo de Pluviógrafos están diseñados para evitar al mínimo las pedidas por evaporación. PLUVIOGRAFO DE CANGILON Su principio de funcionamiento es muy sencillo, un ligero recipiente está dividido en dos compartimentos y se halla en equilibrio inestable con respecto al eje horizontal. En su posición normal, el recipiente se apoya en uno de topes que le impiden inclinarse completamente. El tubo conectado al embudo colector de la precipitación se encuentra instalado por arriba del cangilón basculante que mientras está vacío tiene dos posiciones estables, con ambas mitades del depósito cayendo justo por debajo del orificio de salida del embudo. Debido a que el centro de gravedad de la mitad llena del depósito cae fuera del punto de apoyo, el depósito se vuelca tan pronto como se haya cargado con una cantidad determinada de agua de precipitación, vertiendo el agua recogida y exponiendo la otra mitad del vacía al orificio del embudo. Tan pronto como la mitad se llena, se vuelca el otro lado. ( fig. 12 ) En cada movimiento de volcado, un relé de láminas accionado por un imán permanece conmutando un circuito eléctrico, produciendo un impulso eléctrico, este mismo sistema se lo construye también con cápsula de vidrio con mercurio el que realiza la misma función del imán. 18

19 (fig.12) PLUVIOGRAFOS DE SIFON Este tipo de pluviógrafo se lo conoce también como de flotador, la lluvia pasa a un recipiente que es en realidad la cámara donde se desliza un ligero flotador, el movimiento vertical de éste se transmite mediante un mecanismo conectado al movimiento de la pluma de registro que se desliza sobre la faja o banda. Ajustando adecuadamente las dimensiones de la boca del colector, el flotador y la cámara del flotador, se puede utilizar cualquier escala para la banda de registro. (fig.13) A fin de poder registrar la precipitación caída durante un período que generalmente es de 24 horas, la cámara del flotador debería ser muy grande, o bien podría recurrirse a un mecanismo que realice automáticamente y con rapidez el vaciado de la cámara cada vez que se llene por esa razón se recurre al sifón. El proceso de actuación del sifón debe comenzar precisamente en el momento oportuno y sin tendencia a que el agua rebose o produzca goteos ni al principio ni al final de la actuación del sifón que no debe prolongarse más halla de 15 segundos. (fig.13 ) 19

20 A excepción de los pluviómetros y pluviógrafos cuya boca de recolección sea inferior a los 200 cm 2 son adecuados para medir las precipitaciones sólidas. estos OBSERVACIONES DE LA PRECIPITACION POR MEDIO DE UN RADAR El Radar es capaz de detectar la presencia de precipitación hasta una distancia limitada principalmente por los parámetros del sistema, el tamaño y número de gotas por unidad de volumen y el efecto de la curvatura de la tierra. En algunas circunstancias esa distancia puede llegar a ser de 400 Km., aunque para fines prácticos, especialmente en latitudes medias, por lo general no supera los 250 Km. En su forma más sencilla de radar permite observar el movimiento local de las áreas de precipitación y estimar la intensidad de la misma. MEDIDA DE LA EVAPORACION La medida de la evaporación de las capas de agua libre y del suelo, así como la transpiración de la vegetación, revisten una gran importancia en los estudios agronómicos e hidrometeorológicos, así como el 20

21 estudio de los proyectos y explotación de embalses y sistemas de riego y avenamiento, especialmente en zonas áridas y semiáridas. Desgraciadamente resulta difícil obtener medidas que sean verdaderamente representativas de las condiciones naturales y por otra parte los instrumentos que se dispone actualmente no pueden considerarse como plenamente satisfactorios. Por esta razón los métodos meteorológicos para la estimación de la evaporación despiertan un interés considerable. UNIDADES DE MEDIDA El índice de evaporación se define como la cantidad de agua evaporada desde una unidad de superficie durante una unidad de tiempo. Puede expresarse como la masa o volumen de agua líquida evaporada a partir de una unidad de superficie durante una unidad de tiempo, habitualmente se representa como la altura equivalente de agua líquida por unidad de tiempo en toda la superficie considerada. La unidad de tiempo normalmente es un día y la altura puede expresarse en milímetros o centímetros. FACTORES QUE AFECTAN A LA EVAPORACION Los factores que afectan al índice de evaporación procedente de cualquier cuerpo o superficie pueden dividirse en dos grupos: Factores meteorológicos y Factores superficiales, cualquiera de los cuales puede limitar el índice de evaporación. Los factores meteorológicos pueden a su vez subdividirse en parámetros energéticos y parámetros aerodinámicos. La energía es necesaria para que el agua pase de la fase líquida a la fase vapor y en la naturaleza esa energía la suministra en gran medida la radiación solar y terrestre. Los parámetros aerodinámicos, tales como la velocidad del viento en la superficie y la diferencia de vapor entre la superficie terrestre y la atmósfera inferior, controlan la magnitud de la transferencia del vapor de agua evaporado. La resistencia a la transferencia de humedad a la atmósfera depende de la rugosidad de la superficie; en las zonas áridas y semiáridas, el tamaño y forma de la superficie de evaporación es también importante. La transpiración procedente de la vegetación, además de depender de los factores meteorológicos y superficiales ya indicados está en gran parte determinada por las características de las plantas y sus reacciones. Entre las mismas figuran, por ejemplo, el número y tamaño de estomas y el hecho de que las estomas estén abiertos o cerrados. Instrumentos de medida Los evaporímetros son los instrumentos que sirven para medir la evaporación entre los que podemos citar los siguientes: Atmómetro, Evaporímetros de cubeta, tanques de Evaporación, Evaporigrafos. ATMOMETROS Un atmómetro es un instrumento que mide la pérdida de agua en una superficie poroso mojada. Las superficies mojadas están constituidas por esferas de cerámica, por cilindros, láminas o por discos de papel filtro saturadas de agua. EVAPORIMETROS DE CUBETA Y TANQUES DE EVAPORACIÓN La evaporación se mide observando el cambio de nivel de la superficie libre del agua en una cubeta o tanque. estos instrumentos que constituyen el tipo de evaporímetro más ampliamente utilizado, sirven de base a distintas técnicas para estimar la evaporación y evapotranspiración de superficies naturales cuyas pérdidas de agua ofrecen interés. TANQUE DE EVAPORACION CLASE A El evaporímetro estadounidense de cubeta de clase A esta compuesto de un cilindro de 25.4 cm de profundidad y cm de diámetro. El fondo de la cubeta se coloca a una altura de tres a cinco centímetros de la superficie del suelo, sobre un marco de madera que actúa de plataforma y que permite al aire circular por debajo de la cubeta, manteniendo el fondo por encima del nivel de agua estancada sobre el terreno en 21

22 caso de lluvia. La cubeta misma está construida de hierro galvanizado de 0.8 mm de espesor. La cubeta o tanque de evaporación se llena hasta cinco centímetros por debajo del borde. BAROMETRIA MEDIDA DE LA PRESION ATMOSFERICA La presión atmosférica en una superficie horizontal dada es la fuerza por unidad de superficie ejercida en dicha superficie por el peso de la atmósfera que está encima. Unidades de Medida La unidad de presión en el S.I. es el Pascal (o newton por metro cuadrado) que resulta demasiada pequeña para fines meteorológicos, la unidad utilizada es el hectopascal definido como 100 pascales igual a un milibar que es la unidad de la presión utilizada anteriormente. 1 hectopascal hpa = mm de mercurio en condiciones normales 1 mm Hg = hpa 1 hpa = pulgadas de mercurio en condiciones normales 1 in Hg = hpa Las condiciones normales son: 1 mm Hg = in Hg Temperatura 0 º C Densidad Hg g cm 3 Aceleración de la Gravedad g = m/s 2 (fig. 14 ) 22

23 BAROMETROS MERCURIALES El principio básico del barómetro de mercurio es que la presión de la atmósfera se equilibre con el peso de la columna de mercurio, en meteorología se mide la longitud de la columna de mercurio con una escala en unidades de presión. Esencialmente el barómetro de mercurio consiste en un tubo de vidrio montado verticalmente, cerrado en el tope, lleno con mercurio y teniendo su extremo inferior abierto sumergido en una cubeta semillena de mercurio. La presión atmosférica actúa sobre la superficie abierta de la cubeta y equilibra el peso de la columna de mercurio del tubo barométrico. El tubo es suficientemente largo para permitir el cambio de altura de la columna de mercurio en función de las variaciones de la presión atmosférica. Los barómetros tipo Fortin a diferencia de los anteriores tienen la cubeta móvil la misma que deberá ser enrasada con una punta de marfil y la superficie del mercurio que será el cero del instrumento. Los barómetros tienen un termómetro adjunto para realizar las correcciones por temperatura toda vez que por ser el único metal liquido experimenta dilataciones y contracciones con las variaciones de temperatura siendo necesario llevarles las mediciones a condiciones normales Existen varios tipos de barómetros de mercurio que se utilizan en las estaciones meteorológicas pero los más conocidos son los tipo cubeta fija ( fig. 15) y los Fortin. Los barómetros para fines meteorológicos son calibrados por comparación con barómetros patrones primarios o secundarios, que habitualmente se encuentran en los principales centros nacionales de patrones físicos. (fig. 15 ) 23

24 Correcciones por temperatura Las lecturas de los barómetros serán corregidas, para lograr el valor que habría obtenido el mercurio y la escala si hubiesen estado a temperatura normal, para realizar estas correcciones los barómetros tienen adjunto un termómetro. Es importante que la instalación de los barómetros mercuriales sea totalmente vertical para evitar errores de instalación, además de que el lugar no deberá estar expuesto a la radiación directa del sol, o en lugares expuestos a cambios bruscos de temperatura, lo que ocasionaría errores en las lecturas finales de la presión. Correcciones por gravedad La lectura del barómetro de mercurio a determinada presión y temperatura depende del valor de la gravedad, el cual a su vez varía con la latitud y con la altitud, los barómetro son calibrados a una gravedad normal de m s -2 y sus lecturas con cualquier otro valor de la aceleración de la gravedad deben ser corregidas. CALCULO DE LA ACELERACION LOCAL DE LA GRAVEDAD El valor teórico ( g ϕ, o ) de la aceleración de la gravedad al nivel medio del mar y la altitud geográfica, se calcula mediante la siguiente ecuación: g ϕ, o = ( cos 2 ϕ cos 2 2 ϕ ) El valor local de la aceleración de la gravedad en un punto dado de la superficie del terreno en una estación terrestre, se calcula mediante la siguiente ecuación : g = g ϕ, o H ( H H ) en donde: g- es el valor local calculado de la aceleración de la gravedad en m s 2, en un punto dado; g ϕ, o = valor teórico de la aceleración de la gravedad en m s 2 al nivel medio del mar y a la latitud geográfica ϕ, calculado con la ecuación anterior. H = elevación real del punto dado, en metros por encima del nivel del mar; H = elevación media en metros por encima del nivel medio del mar, la superficie real del terreno incluida dentro de un circulo cuyo radio es de 150 kilómetros aproximadamente y su centro el punto dado. Todos los barómetros patrones secundarios deberán ser calibrados con el patrón nacional por lo menos cada dos años, a su vez el Barómetro Patrón Nacional que es aquel que se pueden medir con una precisión de ± 0.05 hpa deberá ser calibrado con el Patrón Regional por lo menos cada dos años, para el caso de la Regional III AR III de América del Sur los patrones se encuentran en: Buenos Aires - Argentina, Río de Janeiro - Brasil y Maracay Venezuela. Los barómetros de trabajo o los que se hallan instalados en las diferentes estaciones meteorológicas deberán ser calibrados por lo menos cada año. BAROMETROS ANEROIDES La presión atmosférica puede ser equilibrada en relación a una membrana a resorte de una cápsula metálica evacuada. Una variación de la presión atmosférica implica una deformación de la membrana, la cual puede ser amplificada y ser representada en una escala graduada en unidades de presión, este el principio del barómetro aneroide y finalmente tenemos microprocesadores para los barómetros electrónicos. 24