Baro Metro

Barometro electrico

Garcia Castro Sergio A.

Fundacion Universitaria Los Libertadores,Bogota D.C., [email protected]

Bastidas Solano Alejandra


Gutierrez Pacheco Daniel Santiago


In the following article are shown the most relevant dates about the design and man-ufacture of a electric barometer system, which has a temperature and pressuire sensor totransformate this signals and to convert in dates, then be processed and shown by thepersonal who are operating and he can to know the atmospheric conditions.

Keywords: Barometer, electric, atmospheric conditions, sensor.

I. Introduccion

El peso del aire ejerce una presion sobre la tierra que se llama presion atmosferica. Esta fue descubiertapor Evangelista Torricelli con su experimento en el ano 1643. Sabemos que esta presion no es siempre lamisma, ya que varia de acuerdo a la altura, disminuye a medida que se asciende. El barometro es elinstrumento que permite medir este fenomeno (la fuerza por unidad de superficie ejercida por el peso de laatmosfera en cierto punto), luego de ser ajustado y calibrado, este funciona de manera autonoma gracias asu configuracion. Este trabajo lo realizamos con la finalidad de dar a conocer la construccion y funcionalidadde un barometro electrico e interpretar los datos que arroja, a partir de diferentes fuentes de informacion.

II. Metodo

la busqueda bibliografica se baso principalmente en articulos, libros y referencias que tienen relacion conel barometro, por lo tanto tambien con la presion atmosferica.

La seleccion de estas referencias se hizo de acuerdo al niver de certeza que tenia cada una, para estofueron utiles las bases de datos con las que cuenta la Institucion Universitaria Los Libertadores, tales comoProquest e IEEexplore, las cuales cuentan con archivos confiables, pues son resumenes e informes de trabajoso tesis previamente estudiados.

Tambien tomamos informacioon de diferentes libros, en los cuales hay datos precisos sobre la presionen el area de ingenieria, por lo tanto, se encuentran las caracteristicas de los barometros, como lo son suscomponentes, circuitos, normas y calibracion.

Ademas para asegurar que el proyecto sea confiable, se realizo la investigacion de las normas que rigenla toma de datos de presion al rededor del mundo, por ejemplo: la norma espanola UNE77 233 de 1996 quedetermina el tratamiento de datos de temperatura, Presion y humedad del aire; y el manual de barometrarealizado por las fuerzas armadas de Estados Unidos, el cual determina las especificaciones de los instrumentosbarometricos.

Fundacion Universitaria Los Libertadores,Bogota D.C., [email protected] Universitaria Los Libertadores,Bogota D.C., [email protected] Universitaria Los Libertadores,Bogota D.C., [email protected].

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American Institute of Aeronautics and Astronautics

III. Desarrollo

La informacion mas relevante para el desarrollo del proyecto de barometro electrico es basicamente lapresion atmosferica, los dispositivos que miden su magnitud y todo lo que se derva de este, como lo sonsensores, circuitos y medidas.

A. Presion atmosferica

Es el peso que ejerce el aire de la atmosfera como consecuencia de la gravedad sobre la superficie terrestre osobre una de sus capas de aire.

Como se sabe, el planeta tierra esta formado por una presion solida (las tierras), una presion lquida (lasaguas) y una gaseosa (la atmosfera).

La atmosfera es la capa gaseosa que envuelve todo el planeta y esta formado por mezcla de gases queen conjuntos llamamos aire, como todos los cuerpos, tiene peso, el cual ejerce una fuerza sobre la superficieterrestre es lo que llamamos presion atmosferica, esta varia, no siempre es igual en los diferentes lugares denuestro planeta y nuestro pas, ni en las diferentes epocas del ano.

Como podemos ver la presion ejercida por la atmosfera se debe al peso de la misma, su valor es de1001.000 pascales que corresponde a la presion normal. Existen otras unidades para medir la presion y laequivalencia entre estos son: 101.000Pa = 1atm = 760mmHg = 101mb

B. Barometro

Es un instrumento que mide la presion atmosferica, es decir, la fuerza por unidad de superficie que ejerceun lquido o un gas perpendicularmente a dicha superficie.

La unidad de medida de la presin atmosfrica que suelen marcar los barmetros se llama hectopascal, deabreviacin (hPa). Esta unidad significa cien (hecto) pascales (unidad de medida de presin).

El barometro de mercurio, determina en muchas ocasiones la unidad de medicion, la cual es denominadacomo pulgadas de mercurio o milmetros de mercurio (mmHg). Una presion de 1 mmHg es 1 torr (porTorricelli).

Los primeros barometros estaban formados por una columna de lquido encerrada en un tubo cuya partesuperior esta cerrada. El peso de la columna de lquido compensa exactamente el peso de la atmosfera.

C. Historia

Los primeros barometros fueron realizados por el fsico y matematico italiano Evangelista Torricelli en elsiglo XVII. La presin atmosfrica equivale a la altura de una columna de agua de unos 10 m de altura. Enlos barmetros de mercurio, cuya densidad es 13.6 veces mayor que la del agua, la columna de mercuriosostenida por la presin atmosfrica al nivel del mar en un da despejado es de aproximadamente unos 760 mm.Los barmetros son instrumentos fundamentales para medir el estado de la atmsfera y realizar prediccionesmeteorolgicas. Las altas presiones se corresponden con regiones sin precipitaciones, mientras que las bajaspresiones son indicadores de regiones de tormentas y borrascas.

D. Tipos de barometros

Los barometros han evolucionado a medida que la tecnologia avanza, por lo tanto existen varios tipos, desdeel de mercurio que es el mas antiguo, hasta el digital que arroja resultados en una pantalla con una precisionmuy alta.

1. Barometro de mercurio

El primer barmetro de mercurio fue construido por Torricelli. Est compuesto por un tubo delgado de vidriode unos 80 cm de longitud y cerrado por un extremo en el cual hay mercurio; se tapa el otro extremo yse sumerge en una cubeta que contenga tambin mercurio; si entonces se destapa se ver que el mercurio deltubo desciende unos centmetros, dejando en la parte superior un espacio vaco (cmara baromtrica o vaco deTorricelli). La altura de la columna de mercurio en el tubo, medida desde la superficie del mercurio de lacubeta, es de 760 mm al nivel del mar y en condiciones normales. Torricelli dedujo que la presin ejercida por

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la atmsfera sobre la superficie libre de mercurio de la cubeta era suficiente para equilibrar la presin ejercidapor la columna.

2. Barometro aneroide y holosterico

Con vistas a la difusion de los barometros para mediciones de altura y para la prevision del tiempo sehan ideado unos barometros metalicos mas manejables y economicos llamados aneroides y holostericos. Elprimero esta formado por un tubo doblado en forma de aro. Este queda fijo en un punto y la extremidad delos semicrculos as obtenidos es movil. Con el aumento de la presion atmosferica, el tubo tiende a cerrarse;en el caso contrario tiende a abrirse. La extremidad de los semicrculos esta unida a los extremos de unabarrita que gira sobre su centro; esta, a traves de un juego de engranajes y palancas, hace mover un ndice.El barometro metalico holosterico esta formado por un recipiente aplanado, de superficies onduladas en elque se ha logrado una intensa rarefaccion antes de cerrarlo. En una de las caras se apoya un resorte que,con las variaciones de presion atmosferica, hace mover un ndice por medio de un juego de palancas.

3. Barometro de Fortin

Se compone de un tubo Torricelliano que se introduce en el mercurio contenido en una cubeta de vidrioen forma tubular, provista de una base de piel de gamo cuya forma puede ser modificada por medio de untornillo que se apoya de la punta de un pequeo cono de marfil. As se mantiene un nivel fijo. El barometroesta totalmente recubierto de laton, salvo dos ranuras verticales junto al tubo que permiten ver el nivel demercurio. En la ranura frontal hay una graduacion en milmetros y un nonio para la lectura de decimas demilmetros. En la posterior hay un pequeno espejo para facilitar la visibilidad del nivel. Al barometro vaunido un termometro.

E. Barometro diferencial

Funciona de manera electrica, cuenta con diferentes sensores, los cuales obtienen una medida de presionestatica y una de presion dinamica para asi determinar la presion total, este es usado sobretodo en condicionesde viento.

F. Barometro digital

Dado que en su interior tienen memoria, los barometros digitales son excelentes recolectores y almacenadoresde informacion de manera constante. Este punto es particularmente interesante para los meteorologos, ya quecon solo revisar la memoria pueden saber como vario la presion atmosfrica en un rango amplio de tiempo.Para captarla utilizan un pequeo sensor de silicio, llamado BAROCAP, que es basicamente un diminutoaneroide monocrstalino sensible a la presion. Dado su estabilidad y rango de vida util, no es necesariorealizarle tareas de recalibracion, cuestion que si ocurre con otro tipo de barometro.

Pero mas alla de esto queremos destacar algunos de los elementos que contienen este tipo de instrumentos.Unos muy util, es que el barometro digital posee un monitor LCD, que no solo marca la presion atmosfericay sus variables, sino que tambien refleja otras variables climaticas como el estado del tiempo, la temperaturaambiente, pronostico del tiempo (Visualiza cuatro estados: soleado, ligeramente nublado, nublado y lluviosoy, ademas, tres grados de lo que podemos llamar confort).

Tambien nos brinda diferentes datos de presion atmosferica en graficos de barras que reflejan las ultimas24 horass. El calendario, alarma y un reloj son otros de los elementos utiles que posee el barometro digital.Por ultimo vamos a repasar cuales son las diferentes especificaciones y caractersticas tecnicas del barometrodigital: los rangos de medicion oscilan entre los 800 y los 1060 hPa para los modelos mas sencillos y 900 y1100 hPa para los mas avanzados. Los barometros digitales registran temperaturas, cuyo rango de accionva de los 40 hasta los +60 Celsius. En cuanto al margen de error por ao de uso es de nada mas 0.1hPa,lo que demuestra su gran versatilidad.

G. Barometro electrico

Este en su forma mas basica cuenta con un sensor de presion y uno de temperatura en el circuito, estos datosson transferido en numeros binarios a un led de siete segmentos, el cual codifica la informacion y la muestra

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en datos entendibles al observador, de acuerdo al numero de leds, se obtiene una informacion mas precisa,ya que el dato es mas cercano al real.

Nuestro proyecto esta basado en este ultimo Barometro. Hallamos en la revision que hay diferentessensores de cada tipo.

En industria existen varios tipos de sensores, los cuales nos permiten transformar las magnitudes fsicas oqumicas, en magnitudes electricas. Existe una gran variedad la cual depende del uso los cuales son: Sensorde movimiento, sensor de desplazamiento, sensor de fuerza, sensor de caudal, sensor acustico, sensor de luzy para el caso de este proyecto sensor de temperatura y sensor de presion.

Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores puden ser de deflexion o de comparacion. En lossensores que funcionan por deflexion, la magnitud medida produce un efecto fsico, que engendra algun efectosimilar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que esta relacionado con alguna variable util, Porejemplo el dinamometro el cual se emplea para medir fuerzas, en el cual consiste en la deformacion de unmuelle por una fuerza aplicada hasta que la fuerza de recuperacion de este, proporcional a su longitud, iguala la fuerza aplicada.

En los sensores que funcionan por comparacion, se intenta mantener nula la deflexion mediante la apli-cacion de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir. Hay un detector deldesequilibrio y un medio para reestablecerlo. En una balanza manual, por ejemplo, la colocacion de unamasa en un platillo provoca un desequilibrio, indicado por una aguja sobre una escala. El operario colocaentonces una o varias masas en el otro platillo hasta alcanzar el equilibrio que se juzga por la posicion de laaguja. A continuacion, para el estudio de un gran numero de sensores se suele acudir a su clasificacion deacuerdo con la magnitud medida. Se habla, en consecuencia, de sensores de temperatura, presion, caudal,humedad, posicion, velocidad, aceleracion, fuerza, par. Etc.

Desde el punto de vista de la ingeniera electronica, es mas atractiva la clasificacion de los sensoresde acuerdo con el parametro variable: resistencia, capacidad, inductancia, anadiendo luego los sensoresgeneradores de tension, carga o corriente, entre otro. Si bien este tipo de clasificacion es poco frecuente,aunque permite reducir el numero de grupos a unos pocos y se presta bien al estudio de los acondicionadoresde senal asociados.

Para la realizacion de este proyecto, contamos con la contruccion del circuito, el cual lleva un sensor depresion y un de temperatura quienes sensan y envan senales en voltios a un integrado las cual las procesay me va a arrojar tres datos en numeros binarios a 3 diferentes matrices de led de 7 segmentos, estos datosson: la temperatura en grados celcius, la presion en pascales y la densidad en kilogramo sobre metro cubico,como sabemos la densidad se puede hallar tomando solo 2 datos del ambiente y usando la ecuacion deestado que define que la densidad es directamente proporcional a la presion e inversamente proporcional a latemperatura absoluta por la constante universal de los gases ideales, que en este caso es el aire. Para llevara cabo una buena recoleccion de datos, se debe hacer una calibracion con respecto a otro equipo como elanemometro que cuenta la universidad. El fin de este este proyecto es poder tomar datos en tiempo real delas condiciones atmosfericas en las cuales nos encontramos y desarrollar laboratorios en los cuales se requierede esta informacion para realizar practicas en el tunel de viento.

H. Exactitud, fidelidad y sensibilidad.

La exactitud es la cualidad que caracteriza la capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones quese aproximen al verdadero valor de la magnitud medida. Se considera como tal a aquel metodo de medidaen el que los expertos coinciden que es suficientemente exacto para la finalidad obtenida con los resultadosque se obtengan. La discrepancia entre la indicacion del instrumento y el verdadero valor de la magnitudmedida error. La diferencia entre la indicacion del instrumento y el verdadero valor se llama error absoluto(1).

Errorabsoluto = resultado valorverdadero (1)

1. Sensores de temperatura

Los sensores de temperatura son dispositivos que transforman los cambios de temperatura en cambios enseales elctricas que son procesados por equipo electrico o electrnico.

Hay tres tipos de sensores de temperatura, los termistores, los RTD y los termopares.

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El sensor de temperatura, tpicamente suele estar formado por el elemento sensor, de cualquiera de lostipos anteriores, la vaina que lo envuelve y que est rellena de un material muy conductor de la temperatura,para que los cambios se transmitan rpidamente al elemento sensor y del cable al que se conectarn el equipoelectrnico.

TermistorEl termistor esta basado en que el comportamiento de la resistencia de los semiconductores es variable

en funcion de la temperatura.Existen los termistores tipo NTC y los termistores tipo PTC. En los primeros, al aumentar la temperatura,

disminuye la resistencia. En los PTC, al aumentar la temperatura, aumenta la resistencia.El principal problema de los termistores es que no son lineales segn la temperatura por lo que es necesario

aplicar frmulas complejas para determinar la temperatura segn la corriente que circula y son complicados decalibrar.

RTD ( resistance temperature detector )Un RTD es un sensor de temperatura basado en la variacin de la resistencia de un conductor con la

temperatura.Los metales empleados normalmente como RTD son platino, cobre, niquel y molibdeno.De entre los anteriores, los sensores de platino son los ms comunes por tener mejor linealidad, ms rapidez

y mayor margen de temperatura.TermoparEl termopar, tambien llamado termocupla y que recibe este nombre por estar formado por dos metales,

es un instrumento de medida cuyo principio de funcionamiento es el efecto termoelectrico.Un material termoelectrico permite transformar directamente el calor en electricidad, o bien generar fro

cuando se le aplica una corriente electrica.El termopar genera una tension que esta en funcion de la temperatura que se esta aplicando al sensor.

Midiendo con un voltmetro la tension generada, conoceremos la temperatura.Los termopares tienen un amplio rango de medida, son economicos y estan muy extendidos en la in-

dustria. El principal inconveniente estriba en su precision, que es pequena en comparacion con sensores detemperatura RTD o termistores.

2. Sensores de presion

Los sensores de presion o transductores de presion son elementos que transforman la magnitud fsica depresion o fuerza por unidad de superficie en otra magnitud electrica que sera la que emplearemos en losequipos de automatizacion o adquisicion estandar. Los rangos de medida son muy amplios, desde unasmilesimas de bar hasta los miles de bar.

Para cubrir los diferentes rangos de medida, precision y proteccion, disponemos de una gran variedad detransductores de presion, fabricados con diferentes tecnologas, que permiten cubrir todas sus necesidades.A continuacion encontrara un resumen de practicamente todos los sensores de presion disponibles en elmercado, agrupados segun su formato y tipo de medida.

3. Componentes del Barometro electrico

Sensor de temperatura LM35El LM35 es un sensor de temperatura integrado de precision, cuya tension de salida es linealmente

proporcional a temperatura en C (grados centgrados). El LM35 por lo tanto tiene una ventaja sobre lossensores de temperatura lineal calibrada en grados Kelvin: que el usuario no esta obligado a restar una grantension constante para obtener grados centgrados. El LM35 no requiere ninguna calibracin externa o ajustepara proporcionar una precisin tpica de 1.4 C a temperatura ambiente y 3.4 C a lo largo de su rango detemperatura (de -55 a 150 C). El dispositivo se ajusta y calibra durante el proceso de produccin. La bajaimpedancia de salida, la salida lineal y la precisa calibracin inherente, permiten la creacin de circuitos delectura o control especialmente sencillos. El LM35 puede funcionar con alimentacin simple o alimentacindoble (+ y -)

Requiere slo 60 A para alimentarse, y bajo factor de auto-calentamiento, menos de 0,1 C en aire esttico.El LM35 est preparado para trabajar en una gama de temperaturas que abarca desde los- 55 C bajo cero a150 C, mientras que el LM35C est preparado para trabajar entre -40 C y 110 C (con mayor precisin).

Sensor de presin baromtrica - BMP180

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Esta es una tarjeta con el sensor de presin baromtrica BMP180 de alta precisin y de bajo consumo deenerga. El BMP180 ofrece un rango de medicin de 300 a 1100 hPa, con una precisin absoluta de hasta 0,02hPa en el modo de resolucin avanzada. Se basa en la tecnologa piezo-resistiva de alta precisin, robustez yestabilidad a largo plazo. Este sensor es compatible con un voltaje entre 1,8 y 3.6VDC. Se ha diseado paraser conectado directamente a un microcontrolador a travs de I2C (tambin conocido como TWI o en Arduinola librera wire)

Las fuentes analgas y digitales (VDDD y VDDA) del BMP180 estn unidas entre s y en un nico punto deconexin. Tambin hemos puesto dos resistencias pull-up de 4.7k en las lneas del bus I2C.

LED de siete segmentosEl Led de 7 segmentos, es un componente que se utiliza para la representacin de nmeros en muchos

dispositivos electrnicos.Cada vez es ms frecuente encontrar LCDs en estos equipos (debido a su bajsima demanda de energa),

todava hay muchos que utilizan el display de 7 segmentos por su simplicidad.Este elemento se ensambla o arma de manera que se pueda activar cada segmento (diodo LED) por

separado logrando de esta manera combinar los elementos y representar todos los nmeros en el display (del0 al 9). Es ms comn es el de color rojo, por su facilidad de visualizacin.

Cada elemento del display tiene asignado una letra que identifica su posicin en el arreglo del display.

4. Aplicaciones

Utilizando la presin baromtrica y la tendencia de la presin se ha utilizado en el pronstico del tiempo desdeel siglo 19. Cuando se utiliza en combinacin con las observaciones del viento, las previsiones razonablementeprecisas a corto plazo se pueden hacer. Lecturas baromtricas simultneas de toda una red de estacionesmeteorolgicas permiten que se produzcan mapas de presin de aire, que fueron la primera forma de la modernamapa del tiempo cuando se cre en el siglo 19. Isobaras, lneas de igual presin, cuando se dibuja en dichomapa, da un mapa de contornos que muestra las zonas de alta y baja presin. Presin atmosfrica localizada altaacta como una barrera para acercarse a los sistemas meteorolgicos, desviando su curso. Ascensor atmosfricacausada por la convergencia de viento de bajo nivel en la superficie trae nubes bajas y potencialmenteprecipitacin. Cuanto ms grande se puede esperar que el cambio en la presin, especialmente si hay ms de 3,5hPa, cuanto mayor es el cambio en el tiempo. Si la cada de presin es rpida, un sistema de baja presin seacerca, y hay una mayor probabilidad de lluvia. Aumenta la presin rpida, como consecuencia de un frentefro, se asocian con la mejora de las condiciones climticas, como la limpieza de los cielos.

Tambien es usado en los estudios realizados a objetos en tuneles d viento, ya que al determinar la presion,temperatura y densidad de las condiciones atmosfericas tanto del ambiente como de la seccion de pruebas, sepueden obtener los datos propios del objeto, en aerodinamica se requiere hallar la resistencia aerodinamicade los perfiles alares, la sustentacion, entre otras informaciones que requieren de las medidas sensadas por elbarometro. para tales ensayos se puede hacer uso de cualquier tipo de barometro.

5. Patentes

Con el avance de la tecnologia y la utilidad de los baometros, se han desarrollado diferentes dispositivosderivados de estos para varias aplicaciones. Estos se han patentado por sus inventores y desarrolladores.

1. EE.UU. 2194624, GA Titterington, Jr, medidor de presin de diafragma con compensacin de temperaturasignifica, emitido 26/03/1940, asignado a Bendix Aviat Corp

2. Patente de EE.UU. 2.472.735: CJ Ulrich: instrumento baromtrico

3. Patente de EE.UU. 2.691.305: HJ Frank: Altmetro baromtrico

4. Patente de EE.UU. 3.273.398: DCWT agudo: barmetro aneroide

5. Patente de EE.UU. 3.397.578: HA Klumb: Propuesta de mecanismo de amplificacin de presin movimien-tos instrumento sensible

6. La patente de EE.UU. 3.643.510: F. Lissau: medidores de presin de desplazamiento de fluido

7. Patente de EE.UU. 4.106.342: OS Sormunen: instrumento de medida de presin

8. Patente de EE.UU. 4.238.958: H. Dostmann: Barmetro

9. Patente de EE.UU. 4.327.583: T. Fijimoto: Tiempo dispositivo pronsticoEl pais con mejor calidad de barometros es Alemania, ademas es uno de los mayores productores.

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IV. Conclusiones

1. Todo instrumento de medida, por exacto que aparente dar las magnitudes censadas, siempre va a presen-tar un margen de error.

2. El barometro es un dispositivo que tiene la capacidad de medir las condiciones atmosfericas mediantesensores de temperatura y presion.

3. El barometro es un proyecto pensado para las practicas de laboratorio en el tunel de viento ya querequerimos conocer las condiciones en que se realizan los ensayos, ya que la un universidad dejo de contarcon uno.

4. El barometro realiza su funcionamiento de manera autonoma.

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